En el curso de la transición energética, la conversión de electricidad renovable en fuentes de energía química a través de los llamados procesos Power-to-X está ganando importancia. Como portadores de energía de gran capacidad a largo plazo, almacenables y fácilmente transportables, PtX maximiza el potencial de generación renovable y permite una transformación completa de todos los sectores (electricidad/transporte/edificios).

Los futuros sistemas PtX se construirán principalmente en regiones remotas con alto potencial de energías renovables o incluso en alta mar en el futuro. Para que los procesos químicos se realicen en estas condiciones desafiantes, se requieren reactores de síntesis y estrategias operativas innovadoras. En el Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar ISE, se desarrolló un banco de pruebas universal para investigaciones cinéticas para analizar reacciones catalíticas en condiciones operativas dinámicas. El sistema compacto y móvil »KISS« también se puede utilizar directamente in situ.

Imagen: © Fraunhofer ISE Ventanas de parámetros relacionados con la presión y la temperatura con las correspondientes síntesis de PtX que pueden ser cubiertas por KISS.

El banco de pruebas KISS (Kinetic Investigations and Screening Setup, por sus siglas en inglés) desarrollado en Fraunhofer ISE permite la medición de perfiles de concentración resueltos espacialmente con monitoreo simultáneo de alta resolución del perfil de temperatura axial. Para ello, se utiliza un sistema de medición de fibra óptica y un sistema de muestreo de válvula multiposición en conexión con un dispositivo de análisis de espectroscopia infrarroja transformada de Fourier dinámica (FTIR). »Un punto de venta único de KISS en comparación con los reactores cinéticos clásicos, además de la alta eficiencia temporal de las campañas de medición, es el perfecto control de la temperatura del reactor, incluso en síntesis que generan mucho calor. Tenemos que observar más de cerca el reactor en la escala relevante para desarrollar soluciones técnicas adecuadas para las nuevas condiciones marco de PtX”, explica la Dr.-Ing. Ouda Salem, directora del grupo Power-to-Liquids en Fraunhofer ISE.

En KISS las reacciones se pueden estudiar tanto en fase gaseosa como líquida. Debido a los materiales de alto rendimiento utilizados, incluso las condiciones de síntesis termoquímica desafiantes se pueden realizar con KISS, lo que permite la investigación cinética de una gran cantidad de productos PtX como metanol, dimetil éter, oximetileno éter, combustibles de aviación o amoníaco. Esto es interesante para las empresas que desarrollan nuevos catalizadores o procesos químicos, pero también para las instituciones de investigación.

El corazón del sistema es un reactor de perfil, que permite la medición dinámica de perfiles de concentración y temperatura. Al acoplar puntos de muestreo axial con análisis FTIR dinámico, la composición del producto se puede analizar en siete posiciones a lo largo del reactor. De esta manera, todos los parámetros de reacción relevantes se determinan de manera resuelta en el tiempo y el espacio. Se pueden crear modelos cinéticos de alta precisión, incluso para redes de reacción complejas.

La amplia automatización del banco de pruebas (operación 24/7) en combinación con el análisis dinámico permite realizar campañas de medición en el menor tiempo posible. Además de la medición cinética, KISS también es adecuado para mediciones a largo plazo o mediciones con componentes que son potencialmente dañinos para el catalizador e inhiben la reacción. Como resultado, se pueden obtener nuevos conocimientos sobre el comportamiento de desactivación del catalizador.

Simulación y experimentos de una sola fuente
Una plataforma de simulación integral que está vinculada a las instalaciones de KISS, permite procesar los datos experimentales y compararlos con los modelos cinéticos existentes. Así, los resultados experimentales y el desempeño de nuevos catalizadores pueden relacionarse con el estado del arte.

Los nuevos modelos cinéticos pueden retroceder en función de los datos de perfil medidos. Al vincular los datos de medición determinados experimentalmente y el software de simulación, es posible la transferencia a escalas de producción significativamente más grandes y, por lo tanto, las rutas PtX significativamente más rentables.

Pruebas exitosas
El banco de pruebas ya se ha utilizado con éxito para la síntesis de DME. A diferencia de la síntesis convencional, aquí la reacción tiene lugar en fase líquida a una temperatura de reacción moderada. Esto abre nuevas posibilidades para la intensificación de procesos y la producción energéticamente eficiente con el enfoque de destilación reactiva desarrollado en Fraunhofer ISE.

Durante la campaña de medición, el catalizador investigado mostró una contracción dinámica inesperada del lecho del catalizador. “Gracias a la tecnología de medición de fibra óptica, esto se pudo cuantificar con resolución temporal en función del cambio en el perfil de temperatura en el reactor y, por lo tanto, se incluyó en el modelo, lo que subraya el valor agregado de KISS en comparación con la prueba cinética convencional”, detalló Malte Semmel, estudiante de doctorado en el grupo Power-to-Liquids y co-desarrollador de la planta.

El banco de pruebas se está utilizando actualmente para investigar la síntesis de amoníaco en un proceso PtX. El enfoque aquí es investigar materiales catalizadores novedosos y más activos, como los catalizadores a base de rutenio. “Ofrecen el potencial para llevar a cabo la reacción en condiciones de reacción significativamente más suaves. Mediante el uso de la tecnología de medición descrita y su vinculación con la simulación cinética de reacción, también se pueden desarrollar y validar modelos cinéticos de reacción para nuevos catalizadores en estas condiciones exigentes”, mencionó Thomas Cholewa, desarrollador del sistema KISS y estudiante de doctorado en el grupo PtL. “De esta manera, se puede hacer una importante contribución de investigación para la comprensión de la síntesis de amoníaco en las condiciones cambiantes de las tecnologías PtX”, concluyó.