51) Reformado de gas natural con vapor de agua (SMR) para producir hidrógeno gris
Mucho se habla del hidrógeno en los últimos 2 años, pero de las 90 M T de H₂ que se producen anualmente en el mundo, en su mayoría proviene de la reacción de reformado de gas natural con vapor de agua (SMR).
La reacción principal que ocurre en el reformador primario (zona 1 de la imagen adjunta), CH₄ + H₂O ↔ CO + 3H₂, es endotérmica 206 KJ/mol, es por ello que se quema gas natural para usar su poder calorífico. La reacción termodinámicamente es favorecida a altas temperaturas y bajas presiones; y utiliza un catalizador, generalmente hecho de nickel sobre alumina (Ni/Al₂O₃), pero CH₄ al ser una molécula muy estable, su descomposición es el paso limitante de la reacción.
Por todo ello, la conversión del gas natural (CH₄) no es completa, y la corriente de salida puede albergar 9-13% de metano. Por ello, se emplea el reformador secundario (2) a 900-1100ºC para bajar la concentración hasta 0,5-1,5% de CH₄.
El CO es un veneno para muchos catalizadores de la industria química, debido a la reactividad de un par de electrones no compartidos. Es por ello, que hay que retirar el monóxido de carbono que se genera en la reacción principal.
Para ello se utiliza el desplazamiento con agua del CO (denominado Water Gas Shift (WGS)), CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂, que de hecho, produce más hidrógeno. Esta fase se divide en dos reactores a diferentes temperaturas, con diferentes catalizadores, para de ese modo, de los 10-13% CO que entra al primer reactor a 300-350ºC de WGS se consigue reducir al 2-3%, y en el 2º reactor de WGS a 200-250ºC se disminuye a 0,25-0,5% de CO.
En la zona 4, se emplea una PSA para separar el CO₂ de la corriente de salida. Cuando la sociedad evolucione hacia un sistema más sostenible, donde la economía circular este más instaurada, este mismo CO₂ podría ser empleado para producir combustibles sintéticos para el transporte terrestre o marítimo.
Finalmente (5), se dispone de un reactor de metanación, para eliminar cualquier rastro del CO, gastando parte del hidrógeno que hemos producido, y obteniendo metano que se puede quemar en la zona 1.
En España el consumo anual es del orden de 0,6M T H₂, que se distribuye entre las 9 refinerías petróleo que hay en el territorio, producción de amoniaco (3H₂ + 2N₂ ↔ 2NH₃) mediante la reacción de Haber-Bosch, que posteriormente se emplea en la industria de fertilizantes y consumos indirectos para producción de productos químicos (p.e. Metanol).
Este proceso descrito previamente, emite aproximadamente 9T CO₂ por cada T H₂ (En España alrededor de 5,4M T CO₂). Urge descarbonizar el hidrógeno gris primero, antes de buscarle otras aplicaciones. Para transformar los 0,6MT H₂ gris a verde, el estado necesita destinar 15 GW de energías renovables a la electrólisis.
Por dar una idea, 2021 disponíamos de 64GW de renovables, "Big Deal" que diría aquel.
51) Steam Natural Gas Reforming (SMR) to produce gray hydrogen
Much has been made of hydrogen in the last 2 years, but of the 90 Mt of H₂ produced annually in the world, most of it comes from the steam-reforming (SMR) reaction of natural gas.
The main reaction that occurs in the primary reformer (zone 1 of the attached image), CH₄ + H₂O ↔ CO + 3H₂, is endothermic 206 KJ/mol, which is why natural gas is burned to use its calorific value. The reaction is thermodynamically favored at high temperatures and low pressures; and uses a catalyst, generally made of nickel on alumina (Ni/Al₂O₃), but CH₄ being a very stable molecule, its decomposition is the limiting step of the reaction.
For all these reasons, the conversion of natural gas (CH₄) is not complete, and the output stream can contain 9-13% methane. Therefore, the secondary reformer (2) is used at 900-1100ºC to lower the concentration to 0.5-1.5% CH₄.
CO is a poison for many catalysts in the chemical industry, due to the reactivity of an unshared pair of electrons. That is why it is necessary to remove the carbon monoxide that is generated in the main reaction.
This is done by using the water shift of CO (called Water Gas Shift (WGS)), CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂, which in fact produces more hydrogen. This phase is divided into two reactors at different temperatures, with different catalysts, so that the 10-13% CO that enters the first reactor at 300-350ºC of WGS is reduced to 2-3%, and in the 2nd WGS reactor at 200-250°C is decreased to 0.25-0.5% CO.
In zone 4, a PSA is used to separate CO₂ from the output stream. When society evolves towards a more sustainable system, where the circular economy is more established, this same CO₂ could be used to produce synthetic fuels for land or sea transport.
Finally (5), there is a methanation reactor, to eliminate any trace of CO, spending part of the hydrogen that we have produced, and obtaining methane that can be burned in zone 1.
In Spain, annual consumption is of the order of 0.6M T H₂, which is distributed among the 9 oil refineries in the territory, ammonia production (3H₂ + 2N₂ ↔ 2NH₃) through the Haber-Bosch reaction, which is subsequently It is used in the fertilizer industry and indirect consumption for the production of chemical products (e.g. Methanol).
This previously described process emits approximately 9T CO₂ for each T H₂ (in Spain around 5.4M T CO₂). It is urgent to decarbonize gray hydrogen first, before looking for other applications. To transform the gray 0.6MT H₂ to green, the state needs to allocate 15 GW of renewable energy to electrolysis.
To give an idea, in 2021 we had 64GW of renewables, "Big Deal" as that one would say.