ES2940295A1 - Sistema de generacion de energia - Google Patents
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Abstract
Sistema de generación de energía. La presente invención describe un sistema de generación de energía a partir de aire y un combustible precursor de H2, que comprende: - un subsistema de potencia (A) basado en un motor de combustión; - un subsistema de generación de H2 (B) a partir del combustible precursor de H2; - un subsistema de generación de O2 (C) a partir del aire; - un subsistema de acondicionamiento (D) de fluidos del sistema para el correcto funcionamiento del resto de subsistemas; - conductos, que conducen flujos de fluido por el sistema; de manera que se aporta al motor de combustión el O2 y el H2 generados; y se produce energía por medio de un proceso de oxicombustión en dicho motor de combustión.
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema de generación de energía
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se refiere de manera general al sector de la energía. De manera más específica, la presente invención se refiere a un sistema de generación de energía a partir de aire y un combustible precursor de H2, que puede ser utilizado típicamente (aunque no exclusivamente) para aplicaciones de generación de electricidad o para propulsión de vehículos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Por una parte, las plantas de potencia basadas en combustibles líquidos (fósiles, bio o sintéticos) para la producción de energía mecánica, para el transporte, o energía eléctrica, para producción deslocalizada, adolecen de limitaciones en cuanto a su eficiencia máxima. Estas limitaciones son físicas, debido al segundo principio de la termodinámica, y tecnológicas, debido a la tecnología de los materiales que no soportan determinadas temperaturas de trabajo. De tal suerte que en el transporte ligero ronda el 35% en media y en el mejor de los escenarios y entornos no supera el 60%. Además, y de gran importancia, destaca que en el caso de los combustibles líquidos de origen fósil existe el problema global de las emisiones de CO2 y su papel en el cambio climático.
Por otra parte, hay dificultades tecnológicas intrínsecas en el proceso de descarbonización del transporte, los procesos industriales y la producción de energía, para el uso de la electricidad y el H2 como vectores energéticos frente a los combustibles líquidos. Principalmente son:
• La baja densidad energética que se consigue almacenando o embarcando electricidad e hidrógeno (H2) frente a almacenar o embarcar combustibles líquidos. En el caso del hidrógeno se palía almacenándolo en estado líquido, pero en ese caso se necesitan presiones superiores a los 700 bar lo que añade costos y dificultades tecnológicas adicionales.
• La necesidad de construir nuevas y costosas infraestructuras para el transporte y la distribución de electricidad e hidrógeno que retrasaran los objetivos de
descarbonización del transporte y el resto de los sectores.
• Los largos tiempos de recarga de energía en baterías en el caso de la electricidad, lo que es una dificultad crítica en el sector del transporte y sin visos de solución con las tecnologías conocidas o en desarrollo.
Es decir, la electricidad tiene limitaciones intrínsecas a su transporte (pérdidas y coste de las infraestructuras) y su capacidad de almacenamiento (tecnología de baterías basada exclusivamente en ion-litio y al límite de su optimización). Si bien la situación con el H2 es parecida en cuanto al transporte y la distribución, no obstante, su almacenamiento en estado de líquido palía el problema de la densidad energética, pero añade aumentos de coste y dificultades tecnológicas importantes.
Como conclusión, se hace necesario desarrollar un sistema que permita seguir usando las ventajas de alta densidad energética, rápida recarga y facilidad de transporte de los combustibles líquidos; pero sorteando las limitaciones en eficiencia de los ciclos termodinámicos (2° principio y temperaturas máximas limitadas), y eliminando las emisiones de gases nocivos y de CO2 a la atmósfera.
Además, se hace necesario desarrollarlo en el corto medio plazo, para intentar evitar la subida de temperaturas promedio del planeta más allá de límites catastróficos. Por lo que es una ventaja importante no depender de la construcción de nuevas infraestructuras y poder usar las existentes para el transporte de combustibles líquidos. Más aún cuando construir nuevas infraestructuras de transporte y distribución, necesariamente llevarán aparejadas nuevas emisiones de CO2 y nuevos costes no siempre al alcance de gobiernos e instituciones públicas o privadas.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Para satisfacer las necesidades y solucionar los inconvenientes mencionados anteriormente, la presente invención da a conocer un sistema de generación de energía tal como se describe en la reivindicación 1.
En concreto, se da a conocer un sistema de generación de energía a partir de aire y un combustible precursor de H2, que comprende los siguientes componentes:
- un subsistema de potencia, basado en un motor de combustión;
- un subsistema de generación de H2 a partir del combustible precursor de H2;
- un subsistema de generación de O2 a partir del aire;
- un subsistema de acondicionamiento de fluidos del sistema para el correcto funcionamiento del resto de subsistemas;
- conductos, que conducen flujos de fluido por el sistema;
de manera que se aporta al motor de combustión el O2 y el H2 generados; y se produce energía por medio de un proceso de oxicombustión en dicho motor de combustión.
En las reivindicaciones dependientes se describen realizaciones preferidas de la presente invención.
El sistema de la presente invención está basado en un motor de combustión; y genera energía con cero emisiones del tanque a la rueda (Tank-to-Wheel o TtW en inglés). El sistema tiene la posibilidad de aceptar distintos tipos de combustibles, y trabaja internamente con O2 puro como comburente. El combustible precursor de H2 puede ser de base carbono (fósiles, sintéticos o bio) o de base no-carbono (sintéticos o bio). El sistema obtiene sinergias del uso de hidrógeno (H2) puro como un vector energético producido y consumido in-situ a partir del combustible embarcado (combustible precursor de H2), que es su precursor, pues contiene dicha especie en su formulación química.
La presente invención permite maximizar el rendimiento del combustible embarcado. El uso más eficiente de la energía (que es un bien intrínsecamente escaso) se consigue controlando sinérgicamente la creación interna y el consumo de tres principales vectores energéticos, temporales e internos, con los que puede operar el sistema: hidrógeno puro (H2), calor y/o electricidad. Además, gracias al uso de oxígeno puro (O2) como comburente, producido y consumido in-situ a partir del aire, no tiene emisiones de CO2 ni de óxidos de nitrógeno (NOx). La generación in-situ del H2 se realiza en el subsistema de generación de H2, preferiblemente en un reactor electroquímico de membrana (REM), a partir del combustible embarcado; y el consumo del H2 generado también se realiza in-situ durante las transformaciones energéticas pertinentes en el motor de combustión incluido en el sistema. La generación in-situ del O2 se realiza en el subsistema de generación de O2 a partir del aire ambiente, preferiblemente, en una membrana cerámica de separación OTM (del inglés Oxygen Transport Membrane; traducido al español como Membrana de Transporte de Oxígeno), que puede ser de tipo MIEC (del inglés Mixed lonic-Electronic Conductivity, traducido al español como Conducción Mixta Iónica-Electrónica) o de tipo
POC (del inglés Pure Oxygen Conducting, traducido al español como Conducción Pura de Oxígeno); y el consumo del O2 generado también se realiza in situ, concretamente en el motor de combustión durante el proceso de oxidación del combustible H2. El motor, a su vez, genera otros dos vectores (calor; y energía mecánica que puede ser transformada parcial o totalmente en electricidad) con los que puede realimentarse en parte o totalmente el subsistema de generación de H2 y el subsistema de generación de O2.
De este modo, la presente invención aporta una solución que de forma integral:
- Resuelve las limitaciones de los sistemas de generación de energía del estado de la técnica, constituyendo en su conjunto un sistema de generación de energía con la posibilidad de utilizar distintos tipos de combustible, con cero emisiones absolutas (sin CO, HC, partículas o NOx), gracias a la combinación inteligente del subsistema de generación de H2, el subsistema de generación de O2, y el motor de combustión. - Interrelaciona los diferentes componentes del sistema de generación de energía con el objetivo de alcanzar la optimización energética, tanto calorífica como eléctrica, sin que en su conjunto exista una invención en el estado de la técnica que incluya todos los componentes operando de forma sinérgica.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Además, la palabra "comprende" incluye el caso "consiste en". Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención. Además, la presente invención cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones aquí indicadas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La presente invención se entenderá mejor con referencia a las siguientes figuras, en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 es una representación esquemática general de un sistema de generación de energía según una realización preferida de la invención.
La figura 2 es una representación esquemática del sistema de generación de energía según una realización preferida de la invención, en la que el combustible precursor de H2 es un hidrocarburo.
La figura 3 es una representación esquemática del sistema de generación de energía según una realización preferida de la invención, en la que el combustible precursor de H2 no es un hidrocarburo.
La figura 4 es una representación esquemática del sistema de generación de energía según una realización preferida de la invención, en la que el combustible precursor de H2 es NH3.
La figura 5 es una representación de un reactor electroquímico de membrana (REM) según una realización preferida de la invención. En la figura 5a se representa un esquema general del REM de la invención. En la figura 5b se representa una realización preferida del REM de la invención, basado en un conductor protónico. En la figura 5c se representa otra realización preferida del REM de la invención, en este caso basado en un conductor de iones oxígeno. En la figura 5d se representa otra realización preferida del REM de la invención, en este caso basado en un conductor co-iónico.
La figura 6 es una representación esquemática de una membrana OTM, según una realización preferida de la invención.
MODOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención da a conocer un sistema de generación de energía a partir de aire y un combustible precursor de hidrógeno.
El sistema de la presente invención se basa en lo siguiente:
- en la obtención de oxígeno (O2) e hidrógeno (H2) a partir del aire y del combustible precursor de H2, respectivamente;
- en el uso del oxígeno y del hidrógeno obtenidos para producir energía en un motor de combustión.
Tal y como se explicará detalladamente más adelante, el aire y el combustible precursor
de H2 son sometidos a procesos de modificación a medida que van circulando por diferentes componentes del sistema, dando lugar a sucesivos flujos de fluidos con distintas propiedades y/o composiciones.
En el presente documento, por "fluido del sistema” ha de entenderse un fluido que entra al sistema o circula por él. Según lo expuesto, a continuación, se incluyen varios ejemplos de fluidos del sistema: el aire, el combustible precursor de H2, y los sucesivos fluidos resultantes de los procesos de modificación realizados a partir del aire y del combustible precursor de H2.
En algunas partes del presente documento se usan los términos "combustible precursor” , "precursor de H2” o "precursor” para referirse de manera simplificada al "combustible precursor de H2”. Por otro lado, se usa el término "combustible motor” o "combustible del motor” para referirse al combustible que entra al motor de combustión y forma parte de la reacción de combustión en dicho motor de combustión; en la presente invención se utiliza H2 como combustible motor. En consecuencia, cabe reseñar la diferencia entre combustible que se aporta al sistema y combustible que entra al motor: El combustible precursor de H2 es combustible que se aporta al sistema, y el H2 es combustible que entra al motor. Asimismo, se usa el término "comburente motor” o "comburente del motor” para referirse al comburente que entra al motor de combustión y forma parte de la reacción de combustión en dicho motor de combustión. En consecuencia, cabe reseñar la diferencia entre el aire que se aporta al sistema y el comburente que entra al motor: El aire es el comburente que se aporta al sistema, pero al motor entra una corriente de O2 de elevada pureza en lugar de aire.
En el presente documento, el término "acondicionar” y sus derivados han de entenderse en el sentido de adaptar uno o varios fluidos del sistema modificando sus condiciones termodinámicas, por ejemplo, la presión y la temperatura. Dependiendo de las características particulares del sistema según diferentes realizaciones que se explicarán más adelante, el término "acondicionar” y sus derivados también pueden entenderse en el sentido de adaptar uno o varios fluidos del sistema modificando su composición.
El sistema de generación de energía de la presente invención comprende los siguientes componentes:
- un subsistema de potencia (A) basado en un motor de combustión;
- un subsistema de generación de H2 (B) a partir del combustible precursor de H2;
- un subsistema de generación de O2 (C) a partir del aire;
- un subsistema de acondicionamiento (D) de fluidos del sistema;
- conductos, que conducen flujos de fluido por el sistema;
de manera que se aporta al motor de combustión el O2 y el H2 generados; y se produce energía por medio de un proceso de oxicombustión en dicho motor de combustión.
La oxicombustión es un proceso de combustión que se realiza en un ambiente altamente enriquecido con O2. Si se requiere controlar las altas temperaturas de combustión, se emplea la dilución del O2 con una mezcla de otros gases de composición variable. La principal ventaja de la oxicombustión es que al producirse la combustión en ausencia de N2 no se generan NOx.
Según la realización preferida, el sistema de generación de energía de la presente invención acepta diferentes tipos de combustible precursor de H2. El combustible precursor de H2 que se aporta al sistema puede ser de base carbono (por ejemplo, combustible fósil, sintético o biocombustible) o de base no-carbono (por ejemplo, combustible sintéticos o biocombustible). En el presente documento, por combustible de base carbono ha de entenderse un combustible con carbono en su composición; y por combustible de base nocarbono ha de entenderse un combustible sin carbono en su composición.
Preferiblemente, el combustible precursor de H2 se aporta al sistema de manera comprimida, lo que le confiere mayor densidad energética. Algunos ejemplos de combustibles precursores de H2 que acepta el sistema son los siguientes: NH3, CH4, CNG, GLP, CH3OH, HVO, OMEx; estos fluidos tienen alta densidad energética (líquidos o gases comprimidos), y están plenamente disponibles en las infraestructuras actuales o lo estarán en infraestructuras futuras.
Opcionalmente, el sistema puede comprender un depósito de precursor de H2 (E) con el fin de poder almacenar combustible precursor de H2 sin depender de un suministro continuo.
El motor de combustión del sistema se encarga de transformar la energía química del H2 generado en potencia mecánica. Esta potencia mecánica puede ser empleada en dicha forma, o puede ser convertida en electricidad parcial o totalmente. La presente invención
puede ser utilizada típicamente (aunque no exclusivamente) para aplicaciones de generación de electricidad o para propulsión de vehículos.
Según una realización preferida mostrada en la figura 1, el motor de combustión del sistema es un motor de combustión interna, preferiblemente un motor de combustión interna alternativo (MCIA) como, por ejemplo, un motor de encendido provocado (MEP) o un motor de encendido por compresión (MEC). El tipo de motor de combustión interna alternativo no condiciona la aplicación a la que se destine la potencia generada, puesto que los dos tipos descritos posteriormente (MEP y MEC) se pueden emplear para generación de electricidad en sistemas estacionarios o para propulsar un vehículo.
El modo de operación del motor de combustión es una característica distintiva del sistema respecto de otras invenciones:
El motor de combustión de la presente invención opera en modo oxicombustión, con un gas de alimentación (6) que no contiene N2, lo que le confiere la propiedad de no emitir NOx. Además, al aportar al motor H2 (4) como combustible (combustible motor), que no contiene carbono en su composición, tampoco se producen emisiones de CO, HC ni partículas.
El motor de combustión genera dos vectores de energía: calor y energía mecánica. Preferiblemente, uno o varios componentes del sistema son alimentados parcial o totalmente con energía procedente del motor de combustión.
Con relación al calor generado por el motor, puede aprovecharse para modificar las condiciones termodinámicas de uno o varios fluidos del sistema. Según una realización preferida, el subsistema de acondicionamiento (D) se alimenta térmicamente con calor generado por el motor de combustión.
Con relación a la energía mecánica generada por el motor de combustión, a continuación, se mencionan varias realizaciones posibles:
- Según una realización preferida, el sistema puede comprender un dispositivo de transmisión mecánica, que transmite la energía mecánica producida por el motor de combustión hacia la salida y/u otras partes del sistema. El dispositivo de transmisión mecánica puede comprender una caja de reenvío angular con una entrada y varias
salidas, para transmitir la energía mecánica producida por el motor a dos o más salidas de energía mecánica; las salidas de energía mecánica pueden ser utilizadas en diferentes aplicaciones.
- Según una realización preferida, el sistema puede comprender un dispositivo de conversión eléctrica, que transforma energía mecánica producida por el motor en electricidad; por ejemplo, un generador eléctrico. El sistema puede comprender un dispositivo divisor eléctrico, para dividir la energía eléctrica convertida en dos o más flujos de energía eléctrica; los diferentes flujos de energía eléctrica pueden ser utilizados en diferentes aplicaciones. El sistema también puede comprender un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica para almacenar parcial o completamente la energía eléctrica; por ejemplo, una o varias baterías.
- Según una realización preferida, el sistema puede comprender un equipo de gestión energética (F) que, a su vez, comprende: el dispositivo de transmisión mecánica junto con el dispositivo de conversión eléctrica. Según una realización más preferida, el equipo de gestión energética (F) también comprende el dispositivo divisor eléctrico y/o el dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica. La figura 1 muestra una realización en la que el equipo de gestión energética (F) puede desarrollar las funciones de transmisión de energía, conversión de energía y almacenamiento de energía eléctrica.
De este modo, en función de la existencia de una o varias de las realizaciones mencionadas con relación a la energía mecánica generada por el motor, dicha energía mecánica se puede utilizar de diferentes maneras, como, por ejemplo, las que se incluyen a continuación:
- La energía mecánica puede ser utilizada completamente como energía de salida del sistema, directamente desde el motor (desde la salida de potencia del motor), o a través del dispositivo de transmisión mecánica.
En el presente documento, por "salida de potencia neta del sistema” ha de entenderse la salida del sistema por la que entrega la energía generada al exterior. Por "salida de potencia del motor” ha de entenderse la salida del motor por la que entrega la energía mecánica.
- Según un ejemplo alternativo, la energía mecánica puede ser destinada simultáneamente a diferentes aplicaciones; por ejemplo, se puede utilizar una parte de la energía mecánica como energía de salida del sistema, y se puede utilizar otra parte de la energía mecánica en el propio sistema. Para ello, se puede implementar, por ejemplo, la caja de reenvío angular con una entrada y varias salidas; vinculando la entrada de la caja de reenvío angular en serie con la salida de potencia del motor.
- Según otro ejemplo alternativo, la energía mecánica puede ser convertida parcial o totalmente en energía eléctrica mediante el dispositivo de conversión eléctrica. En base a este ejemplo alternativo, se contemplan diferentes opciones como, por ejemplo, las que se incluyen a continuación.
Respecto a la energía eléctrica convertida:
■ Según una opción, la energía eléctrica convertida puede ser utilizada completamente como energía de salida del sistema, o puede ser utilizada completamente en el propio sistema.
■ Según una opción alternativa, la energía eléctrica convertida puede ser destinada simultáneamente a diferentes aplicaciones; por ejemplo, se puede utilizar una parte de la energía eléctrica convertida como energía de salida del sistema, y se puede utilizar otra parte de la energía eléctrica convertida en el propio sistema. Para ello, se puede implementar, por ejemplo, el dispositivo divisor eléctrico.
Respecto a la energía mecánica remanente tras la conversión mencionada:
■ Según una opción, la energía mecánica remanente puede ser utilizada completamente como energía de salida del sistema, o puede ser utilizada completamente en el propio sistema.
■ Según una opción alternativa, la energía mecánica remanente puede ser destinada simultáneamente a diferentes aplicaciones; por ejemplo, se puede utilizar una parte de la energía mecánica remanente como salida de energía del sistema, y se puede utilizar otra parte de la energía mecánica remanente en el propio sistema. Para ello, se puede implementar, por ejemplo, la caja de reenvío angular.
Según una realización preferida, el subsistema de generación de H2 (B) se alimenta
eléctricamente con energía proveniente del motor de combustión; preferiblemente con electricidad obtenida por conversión energética a partir de la energía mecánica producida en el motor de combustión. Preferiblemente, la alimentación eléctrica del subsistema de generación de H2 (B) se realiza por medio de una instalación de suministro eléctrico.
Según una realización preferida, la potencia mecánica del motor de combustión es transformada íntegramente en electricidad por medio del dispositivo de conversión eléctrica. Preferiblemente, dicha electricidad se reparte entre el subsistema de generación de H2 (B) y la salida de potencia neta del sistema. No obstante, tal y como se detallará más adelante, la electricidad transformada también puede utilizarse en el subsistema de generación de O2 (C).
En la presente invención, el propio sistema de generación de energía produce hidrógeno (in situ) a partir del combustible precursor de H2, concretamente en el subsistema de generación de H2 (B); y el consumo del hidrógeno se realiza también en el propio sistema (in situ), concretamente en el motor de combustión, durante la combustión producida en el mismo. De este modo, aunque la presente invención no embarque H2, obtiene sinergias del uso de hidrógeno (H2) puro como un vector energético producido y consumido in situ a partir del combustible embarcado, que es su precursor, pues contiene dicha especie en su formulación química.
Según una realización preferida mostrada en la figura 1, el sistema de generación de energía de la presente invención puede comprender un depósito de H2 (G), con el fin de almacenar H2 o consumirlo si la tasa de producción del subsistema de generación de H2 (B) es diferente de la tasa de consumo del motor de combustión. Preferiblemente, el depósito de H2 (G) es un depósito de H2 presurizado.
Según una realización preferida, el subsistema de generación de H2 (B) se basa en un reactor electroquímico de membrana (REM).
Según una realización más preferida, el reactor electroquímico de membrana comprende: - una cámara reactiva;
- una cámara de hidrógeno;
- una celda electroquímica que, a su vez, comprende:
■ un electrodo cátodo (i);
■ un electrodo ánodo (iii);
■ un electrolito en forma de membrana (ii), dispuesta entre el electrodo cátodo y el electrodo ánodo; de manera que la cámara reactiva y la cámara de hidrógeno están separadas por la membrana.
- una fuente de energía eléctrica (fuente de tensión o corriente) conectada a los electrodos por medio de un circuito eléctrico.
Un reactor electroquímico de membrana es una unidad donde un sistema de reacciones químicas (también denominado sistema reactivo) tiene lugar y, al mismo tiempo, una especie reactiva (o más de una) es separada selectivamente por la membrana. El reactor electroquímico de membrana permite la intensificación de reacciones químicas limitadas por el equilibrio termodinámico. De esta manera, extrayendo una de las especies producidas por el sistema de reacciones, se puede ir desplazando el equilibrio progresivamente hacia producciones mayores. Por otra parte, el reactor electroquímico de membrana también puede permitir el avance controlado de un sistema de reacciones que sea muy reactivo. En esta estrategia, una de las especies reactivas se va introduciendo en la cámara reactiva de manera gradual, lo que permite un avance gradual de las reacciones químicas. El intercambio de especies por la membrana está controlado por una corriente eléctrica. Esta corriente eléctrica se transforma en corriente iónica en la celda electroquímica, de manera que la extracción o la inyección de especies al sistema de reacciones viene determinada por esta corriente iónica.
El reactor electroquímico de membrana de la presente invención genera H2 presurizado y de alta pureza a partir de una corriente gaseosa de combustible precursor de H2. Principalmente se producen dos fenómenos:
- la corriente gaseosa de combustible precursor de H2 reacciona dentro del reactor electroquímico de membrana, dando lugar a H2 entre otros productos;
- la celda electroquímica provoca la separación selectiva del H2 generado.
Según la realización preferida mostrada en la figura 5a, en el reactor electroquímico de membrana se observan dos cámaras diferenciadas y separadas por la celda electroquímica. Éstas dos cámaras son la cámara reactiva y la cámara de hidrógeno.
En la cámara reactiva, hay una corriente de entrada y una corriente de salida: la corriente de entrada (3) es el combustible precursor de H2 en estado gaseoso (también denominado
gas precursor de H2), y la corriente de salida (5) es el gas precursor de H2 reaccionado (gas de rechazo del REM). En cuanto a la cámara de hidrógeno, en esta cámara hay una corriente de salida (4) que contiene el H2 separado; y, opcionalmente, puede haber una corriente de entrada de arrastre o de fuente de iones oxígeno (3’). Por simplicidad, no se ha mostrado la corriente de entrada de arrastre en las figuras 1-4, pero sí se detalla en las opciones del REM de la figura 5. La corriente de entrada de arrastre es rica en H2O, y puede proceder, por ejemplo, de un flujo de gas de escape del motor de combustión y/o de un flujo de rechazo del REM.
En la cámara reactiva se produce un proceso reactivo del combustible precursor de H2 que da lugar al H2 entre otros productos. Este proceso reactivo puede ser diferente en función de la composición del combustible precursor de H2. Preferiblemente, este proceso reactivo tiene lugar gracias a la presencia de un catalizador.
En base a lo expuesto, el precursor de H2 genera dicha especie a partir de un sistema de reacciones químicas. Hay diferentes sistemas reactivos que pueden generar H2 como, por ejemplo, la deshidrogenación de parafinas, el reformado de hidrocarburos, la descomposición de amoniaco, entre otros.
En el caso particular de que el combustible precursor de H2 sea un hidrocarburo (por ejemplo, gas natural, metanol, etanol, fueloil, gasolinas, etc.), la generación de H2 se realiza, preferiblemente, por un proceso de reformado de hidrocarburos. Más preferiblemente, la generación de H2 ser realiza por un proceso de reformado de hidrocarburos con vapor de agua. A continuación, se incluyen algunos ejemplos de procesos de reformado de hidrocarburos, con vapor:
CH3OH H20 ^ C02 3 H2
Estas reacciones, controladas por el equilibrio termodinámico, están favorecidas a temperaturas elevadas (600 - 900°C) y presiones bajas. Preferiblemente, las reacciones están catalizadas por un catalizador que incluye metal de transición del grupo VIII (por ejemplo, níquel), soportado sobre material refractario y químicamente estable, como, por
ejemplo, diferentes óxidos basados en alúmina (como aluminatos de calcio, entre otros).
Según una realización preferida mostrada en la figura 1, el sistema de generación de energía de la presente invención comprende un dispositivo de captura de CO2 (H) para evitar su expulsión al ambiente, por ejemplo, cuando el gas de rechazo del REM incluya dicha especie química (esto ocurre cuando el precursor de H2 contiene carbono en su formulación química).
En el caso particular de que el combustible precursor de H2 sea amoniaco (NH3), la generación de H2 se realiza, preferiblemente, por un proceso de descomposición del amoniaco. En esta reacción se genera nitrógeno e hidrógeno, según se indica a continuación:
1 3 n kj
NH2 ^ - N 2 - H2 AH0 = 46.2—í-
2 2 m ol
Esta reacción endotérmica esta favorecida a temperaturas mayores de 400°C y bajas presiones; y está catalizada, preferiblemente, por un catalizador basado en un metal de transición como, por ejemplo, el níquel, el rutenio, el hierro y el iridio. Entre ellos, los catalizadores basados en rutenio, normalmente soportados sobre carbón activo u óxidos metálicos como óxido de magnesio y alúmina, muestran mayor actividad. También existe la posibilidad de utilizar un catalizador basado en composite, en el que existe un componente cerámico (como, por ejemplo, óxidos de cerio, óxidos de zirconio, óxidos de estaño, etc., estabilizados con metales de los grupos I, II, y/o III), y un componente metálico (como, por ejemplo, Pd, Ni, Ru, Pt, etc.).
Según una realización preferida, el catalizador de la cámara reactiva está especializado en varios sistemas reactivos, lo que permite llevar a cabo reacciones de distintos tipos de combustible precursor de H2. Gracias a este tipo de catalizador, el sistema acepta distintos tipos de combustible precursor de H2 con el mismo reactor electroquímico de membrana (sin cambiar su configuración). Preferiblemente, el catalizador permite llevar a cabo reacciones tanto de combustibles precursores de H2 basados en carbono (hidrocarburos) como de combustibles precursores de H2 no basados en carbono (no hidrocarburos); por ejemplo, un catalizador basado en Ni.
De este modo, aunque hay catalizadores que permiten llevar a cabo todas las reacciones de generación de H2 propuestas (por ejemplo, el mencionado catalizador basado en Ni), alternativamente, la cámara reactiva puede incorporar un catalizador especializado
exclusivamente en una o varias de las reacciones de generación de H2 propuestas.
Una vez que se ha generado el H2 en la cámara reactiva, la celda electroquímica provoca la separación selectiva del H2 generado, gracias a un proceso electroquímico. La celda electroquímica requiere una fuente de energía eléctrica (fuente de tensión o de corriente) para que el proceso electroquímico tenga lugar. Por ello, los electrodos (i y iii) se conectan a una fuente de energía eléctrica, siendo la membrana (ii) el dominio que cierra el circuito electroquímico. Durante el proceso electroquímico, se lleva a cabo la oxidación del electrodo ánodo y la reducción del electrodo cátodo; y en la membrana se intercambian los iones desde un electrodo hasta el otro. Los electrones generados o demandados por los electrodos son intercambiados entre ambos electrodos a partir de un circuito eléctrico con la fuente de energía eléctrica. Tanto la oxidación (en el ánodo), como la reducción (en el cátodo) conllevan una reacción donde interactúan electrones, iones y especies químicas. De esta manera, se necesitan en los electrodos puntos donde las tres fases estén presentes: conductividad electrónica, conductividad iónica y la especie. Estos puntos son llamados TPB, por sus siglas en inglés Triple Phase Boundary.
La membrana del reactor electroquímico puede ser de diversos materiales dando lugar a diferentes realizaciones posibles. A continuación, se hará una descripción detallada sobre diferentes opciones de la membrana. No obstante, antes de realizar la descripción detallada, es importante reseñar algunas cuestiones: La conductividad en materiales sólidos está basada en las propiedades de la estructura cristalina del material. La carga puede ser transportada por medio de electrones/huecos electrónicos, iones o electrones de la banda de valencia. Esto da lugar a materiales con un único tipo de conductividad (por ejemplo, metales con conductividad electrónica), o materiales que presentan varios tipos de conductividades simultáneamente (por ejemplo, los óxidos con estructura tipo perovskita pueden presentar conductividad electrónica, protónica y/o basada en iones oxígeno). La conductividad iónica en estos materiales está basada en defectos en su estructura cristalina. Estos defectos pueden darse de diversas formas: (i) sitios vacíos en la estructura cristalina o vacantes; (ii) iones ocupando espacio en la estructura cristalina que deberían estar vacíos; (iii) iones extra que suponen un dopante para la estructura cristalina; (iv) iones con carga diferente a la esperada para la estequiometría del compuesto.
Según una realización preferida, la membrana del reactor electroquímico de membrana puede ser de un material que presenta conductividad protónica (también denominado
material protónico), de un material que presenta conductividad de iones oxígeno, o de un material que presenta conductividad co-iónica a protones e iones oxígeno.
Según una realización preferida mostrada en la figura 5b, la membrana es de un material cerámico conductor protónico; preferiblemente un material tipo perovskita con conducción protónica como, por ejemplo: BaCeO3, BaZrO3, SrCeO3, SrZrO3, CaZrO3, material basado en estructura hibrida entre BaCeO3 y BaZrO3 (también denominado de manera simplificada “BaCeO3-BaZrOr”), BaCeO3-BaZrO3 dopado con itrio (también denominado de manera simplificada “material tipo BZCY”), material tipo BZCY dopado con iterbio. A continuación, se explica más detalladamente los materiales con conductividad protónica.
En los materiales con conductividad protónica se produce una migración de protones a través del material al aplicar una diferencia de potencial mientras se disponga de una fuente de protones y una circulación de electrones entre los electrodos a través de un circuito externo. Preferiblemente, la presente invención se enfoca en la separación de H2 mediante un reactor de membrana de alta temperatura (>400 °C), por lo que los materiales protónicos considerados están basados en materiales cerámicos conductores protónicos. En aplicaciones electroquímicas, pilas de combustible y electrólisis, los conductores protónicos presentan altas eficiencias y rendimientos, y pueden trabajar a temperaturas más bajas que los conductores de iones oxígeno. Esto es debido a que la energía de activación del transporte protónico es menor que en el caso de los iones oxígeno.
La conductividad protónica se ha observado en un amplio tipo de materiales, pero los resultados más relevantes han sido obtenidos en perovskitas. En general, las perovskitas con conducción protónica presentan una fórmula del tipo A2+B4+O3. El catión A, de mayor tamaño, se coordina a doce aniones, y el catión B ocupando los seis sitios coordinativos formando una red de octaedros BO6 que comparten esquinas. La inclinación de estos octaedros conlleva desviaciones de la simetría cubica ideal. En esta estequiometría en la posición A con Ba y en la posición B con Zr, Tb, Ce o Th exhiben las mejores conductividades protónicas (> 10-2 S cm-1), las menores energías de activación de transporte de protones, y elevadas entalpías de hidratación exotérmicas. Materiales como BaCeO3, BaZrO3, SrCeO3, SrZrO3, CaZrO3, son ejemplos de materiales cerámicos protónicos de alta temperatura de tipo perovskita.
La difusión de protones en conductores protónicos basados en óxidos sólidos complejos
se produce a través del mecanismo de Grotthuss asistido por moléculas de agua. Para esta difusión de protones, la estructura cristalina debe disponer de vacantes de oxígeno para que el trasporte de protones pueda tener lugar. Mediante este mecanismo, el agua se disocia en un ion hidróxido y en un protón. El protón ocupa una vacante de ion óxido, y forma un enlace covalente con un oxígeno de la red. Sin embargo, el enlace O-H formado es más débil que el del ion hidróxido OH-, y la migración del protón es el resultado de un proceso de salto hacia un ion oxígeno vecino activado térmicamente que requiere la ruptura del enlace O-H. La característica de este tipo de materiales cerámicos de poseer defectos de vacantes de iones oxígeno (extrínsecos y/o intrínsecos), favorece que, en presencia de agua, los protones formen defectos con carga positiva según la siguiente ecuación, escrita en notación Kroger-Vink. Donde Vo es la vacante de oxígeno creada en la red cristalina, Oo representa la concentración de átomos de oxígeno con carga neutra localizados en su lugar original de la red cristalina, y OH0 es el protón localizado en el ion oxígeno (defecto de protón).
H20 VQ 0$ ^ 2 OH0
Estos materiales exhiben conductividad tipo-p en ausencia de H2 o vapor de agua. Sin embargo, este tipo de conductividad disminuye a altas temperaturas en condiciones de humedad o H2, y prevalece la conductividad protónica. Se puede mejorar la conductividad protónica también dopando el material puro ya que se aumentan de esta manera las vacantes de oxígeno en la red. Por otra parte, la incorporación de protones en los óxidos de perovskita aumenta al disminuir la temperatura, ya que la inclusión de vapor de agua en la red es un proceso exotérmico. Opcionalmente, los materiales protónicos también pueden estar basados en estructuras hibridas entre BaCeO3 (elevada conductividad iónica pero baja estabilidad) y BaZrO3 (elevada estabilidad, pero bajas conductividades iónicas). La conductividad protónica puede ser mejorada dopando la estructura híbrida entre BaCeO3 y BaZrO3 con itrio, dando BaZrxCeyYzO3 (BZCY) con diferentes niveles de dopado en la posición B de la perovskita. Adicionalmente, también existe la opción de dopar la estructura BZCY introduciendo iterbio, en lo que se ha observado una mejora significativa de la conductividad protónica que permite al material trabajar de manera eficiente incluso a 400°C.
A continuación, se explica el proceso electroquímico por el que se separa selectivamente el H2, en el caso particular de que la membrana sea de un material con conductividad protónica:
El hidrógeno generado a partir del precursor de H2 reacciona en el electrodo que está en
contacto con la cámara reactiva (también denominado primer electrodo) dando lugar a protones y electrones (según la reacción ri). Los protones se transportan desde una cámara hasta la otra a través de la membrana, debido a la conductividad protónica del material. Una vez los protones llegan al electrodo que está en contacto con la cámara de hidrógeno (también denominado segundo electrodo), estos protones forman hidrógeno gas a partir de los electrones generados en el primer electrodo (según la reacción r2). Estos electrones han sido recogidos del primer electrodo e impulsados hasta el segundo electrodo a partir de un circuito eléctrico con una fuente de energía eléctrica. El H2 es liberado a la cámara de hidrógeno. La presión en esta cámara se regula mediante una válvula reguladora de la presión. De esta forma, la corriente de salida del H2 es el hidrógeno generado. La temperatura a la que este tipo de material presenta una conductividad protónica adecuada para llevar a cabo el proceso va desde 400 hasta 1000°C.
H2 ^ 2 H 2e~ (n) 2H 2 e ~ ^ H 2 (r2)
Por otra parte, existen materiales cerámicos conductores de iones oxígeno, que consisten en óxidos de metales que permiten el transporte los iones O2- a través de vacantes de oxígeno presentes en su red cristalina. Típicamente están formados por capas densas de óxidos multimetálicos que contienen metales alcalinos, alcalinotérreos, tierras raras o metales de transición, en la misma estructura cristalina.
Según una realización preferida mostrada en la figura 5c, la membrana es de un material cerámico conductor de iones oxígeno. Este tipo de material puede tener estructura cristalina tipo fluorita (como, por ejemplo, zirconia estabilizada con calcia, zirconia estabilizada con itria, CeO2, ceria dopada con gadolinio, ceria dopada con samario), estructura cristalina tipo perovskita (como, por ejemplo, perovskita LaGaO3 dopada con Sr y Mg), u otros tipos de estructura cristalina (como, por ejemplo, LAMOX (La2Mo2O9), y las apatitas de Si y/o Ge, (M™(XO4)6O2±y), donde M es un catión alcalinotérreo o un lantánido y X es un elemento del bloque p como P, Si, o Ge). A continuación, se explica más detalladamente los materiales conductores de iones oxígeno.
Existen materiales conductores de iones oxígeno con estructura tipo fluorita. Estos materiales presentan una celda unidad cúbica (AB2), donde los cationes tetravalentes A ocupan los centros de cada una de las caras de la celdilla unidad, y los aniones B se
encuentran en las ocho posiciones tetraédricas. Un ejemplo es el óxido de circonio (ZrO2) dopado para conseguir el aumento de la concentración de vacantes de oxígeno. Dopantes como Ca2+ o Y3+ producen zirconia estabilizada con calcia (CSZ) y zirconia estabilizada con itria (YSZ), respectivamente, exhibiendo este último una buena conductividad de O2- por encima de los 700 °C. CeO2 supone otro ejemplo de material con estructura fluorita y no necesita la estabilización de fase para aumentar la concentración de vacantes. Con el objetivo de conseguir mejores conductividades iónicas que con YSZ, se puede dopar con Gd2O3 o Sm2O3 dando lugar a ceria dopada con gadolinio (CGO), o ceria dopada con samario (CSO), respectivamente. No obstante, este material no es estable en condiciones reductoras donde Ce4+ se reduce a Ce3+ proporcionando conductividad electrónica al material (tipo n).
Otros materiales conductores de iones oxígeno están basados en perovskitas. Las perovskitas LaGaO3 dopadas con Sr, Mg, presentan conductividades más altas que las de YSZ, pero estos materiales presentan una escasa estabilidad a largo plazo.
Existen otros grupos de materiales conductores de iones oxígeno que exhiben propiedades interesantes, como, por ejemplo, materiales que presentan la estructura pirocloro (A2B2O7), brownmillerita (A2B2O5), la fase Ruddlesden-Popper (RP) (An+1BnO3n+1), la estructura ortorrómbica K2NiF4 y compuestos tipo Sr4Fe6-xCoxO13. Además, también se pueden utilizar otros materiales conductores de iones oxígeno que no están basados en fluorita o perovskita como, por ejemplo, LAMOX (La2Mo2O9), y las apatitas de Si y/o Ge, (M10(XO4)6O2±y), donde M es un catión alcalinotérreo o un lantánido y X es un elemento del bloque p como P, Si, o Ge.
A continuación, se explica el proceso electroquímico por el que se separa selectivamente el H2, en el caso particular de que la membrana sea de un material con conductividad de iones oxígeno:
El hidrógeno generado a partir del precursor de H2 reacciona con los iones de oxígeno en el electrodo que está en contacto con la cámara reactiva, dando lugar a vapor de agua y electrones (según la reacción r3). Los iones oxígeno se transportan desde una cámara hasta la otra a través de la membrana, debido a la conductividad a iones oxígeno del material. En la cámara de hidrógeno se inyecta una corriente de gas rico en vapor de agua. Esta agua reacciona con electrones en el electrodo en contacto con la cámara de hidrógeno dando lugar a hidrógeno y los iones oxígeno (según la reacción r4). Estos electrones han
sido recogidos del primer electrodo e impulsados hasta el segundo electrodo a partir de un circuito eléctrico con una fuente de energía eléctrica. El H2 es liberado a la cámara de hidrógeno. De esta forma, la corriente de salida de la cámara de hidrógeno es el hidrógeno generado junto con el resto de gas rico en vapor de agua. La temperatura a la que este tipo de materiales presenta una conductividad protónica adecuada para llevar a cabo el proceso va desde 600 hasta 1000°C.
H2 02~ ^ H20 2e~ (r3) HzO 2e~ ^ H 2 02~ (r4)
En el caso particular de que la membrana sea de un material que presenta conductividad co-iónica a protones e iones oxígeno: La membrana es capaz de conducir iones oxígeno y protones, por lo que presenta un comportamiento dual. El rango de temperaturas de este tipo de material viene dado por la conductividad a los iones oxígeno (> 600°C).
Según una realización preferida mostrada en la figura 5d, la membrana es de un material cerámico co-iónico, como, por ejemplo, perovskita basada en Ba dopada con metal de transición; o un composite en el que el conductor protónico es una perovskita dopada basada en bario y el conductor de iones oxígeno es una ceria dopada; etc. A continuación, se explica más detalladamente este tipo de materiales.
Existen dos maneras de conseguir un electrolito que presente ambas conductividades iónicas simultáneamente: con materiales puros y con composites. Los materiales puros que presentan ambas conductividades son generalmente perovskitas.
Con respecto a materiales con una única fase, la conducción iónica está habilitada por óxidos dopados con alta simetría y elevados volúmenes libres en la celda cristalina. Mientras que la conductividad protónica esta favorecida por estructuras que favorezcan la captación de protones, la conductividad a iones oxígeno está gobernada por la difusión a través del bulk y el intercambio superficial. Sistemas cristalinos cúbicos simétricos son generalmente beneficiosos para el transporte de iones. Para este tipo de materiales, se puede tener cierto control en la ratio entre ambas conductividades iónicas a partir del dopado introducido en la estructura cristalina. Las perosvkitas basadas en Ba dopados con metales de transición presentan un buen comportamiento para conductividades mixtas. Para la mejora de las conductividades iónicas, este tipo de materiales permite el dopado catiónico (en la posición A o B de la perovskita) y aniónico (en la posición del O). Entre
estos materiales se encuentran, por ejemplo, los materiales con sistema híbridos entre el zirconato de bario y cerato de bario dopado con itrio e iterbio (BaZri-x-yCexYyO3 o BaZri-x-yzCexYyYbzOA
Con respecto a electrolitos basados en composites, estos sistemas presentan principalmente dos fases: una fase para proporcionar la conductividad protónica y la otra fase para proporcionar la conductividad a iones oxígeno. En este tipo de materiales, el régimen de temperaturas lo marca la fase que presente mayores limitaciones que, por lo general, suele ser la fase con conductividad a iones oxígeno. Entre estos materiales se encuentran, por ejemplo, composites en los que el conductor protónico es generalmente una perovskita dopada basada en bario (principalmente basados en zirconato o cerato) y como conductor de iones oxígeno una ceria dopada.
En la presente invención, el propio sistema de generación de energía genera oxígeno (in situ) a partir del aire, concretamente en el subsistema de generación de O2 (C); y el consumo de oxígeno se realiza también en el propio sistema (in situ), concretamente en el motor de combustión, durante el proceso de oxidación del combustible H2. Preferiblemente, el O2 que se aporta al motor proviene del subsistema de generación de O2 (C). No obstante, según una variante, el O2 puede proceder de otra fuente, como por ejemplo (aunque no necesariamente de manera exclusiva) de un depósito de O2.
Según una realización preferida mostrada en la figura 1, el subsistema de generación de O2 (C) se basa en una membrana de separación; preferiblemente en una membrana cerámica de separación OTM (membrana de transporte de oxígeno). La membrana OTM puede ser de diferentes tipos. Por ejemplo, según una realización particular, la membrana OTM es una membrana MIEC (membrana conductora mixta iónica-electrónica; del inglés Mixed Ionic-Electronic Conductivity). Según otro ejemplo de realización particular, la membrana OTM es una membrana POC (membrana puramente conductora de oxígeno; del inglés Pure Oxygen Conducting).
A diferencia de una membrana MIEC, una membrana POC necesita alimentación eléctrica para operar. En el caso de que la membrana sea de tipo POC, el sistema de generación de O2 (C) puede alimentase con electricidad obtenida por conversión energética a partir de la energía mecánica producida en el motor de combustión (alimentación eléctrica del sistema de generación de O2 no incluida en las figuras). De este modo, en el caso de que
la membrana del subsistema de generación de O2 (C) sea una membrana POC, la electricidad transformada proveniente de la energía mecánica del motor de combustión se reparte, preferiblemente, entre el subsistema de generación de H2 (B), el subsistema de generación de O2 (C) y la salida de potencia neta del sistema.
Preferiblemente, según se muestra en la figura 6, el subsistema de generación de O2 (C) basado en una membrana OTM comprende dos cámaras diferenciadas y separadas por la membrana. Concretamente, se puede diferenciar entre la cámara del lado de alimentación, donde llega aire comprimido y de la que sale aire empobrecido de O2 (gas de rechazo de la membrana OTM); y la cámara del lado de permeación, en la que la corriente de entrada es un gas de arrastre, y la corriente de salida es una mezcla de O2 y dicho gas de arrastre. La membrana transporta oxígeno de una cámara a otra de manera que las moléculas son adsorbidas por un recubrimiento eléctricamente conductor presente en la membrana, disociándose en iones para facilitar su movimiento a través de esta. En el caso de una membrana MIEC, el transporte de oxígeno de una cámara a otra se realiza a partir de un gradiente de presión parcial. En el caso de una membrana POC, dicho trasporte de oxígeno se realiza por la aplicación de un potencial eléctrico.
Según una realización preferida, la membrana no tiene un rendimiento del 100% en la separación (parte del O2 que entra con el aire es rechazado y no permea a través de la membrana), pero su selectividad sí es del 100% (todo lo que pasa a través de la membrana es O2). De este modo, la membrana de separación del subsistema de generación de O2 (C) produce, por un lado, un flujo de O2 prácticamente puro, y por otro, un gas de rechazo de la membrana OTM compuesto por el resto de las especies procedentes del aire (N2, algo de O2 y en menor proporción argón, CO2 ambiente, etc.).
Tal y como se ha mencionado anteriormente, el O2 generado por el subsistema de generación de O2 se aporta al motor para producir una oxicombustión. Cuando se realiza la combustión de H2 y O2 en condiciones estequiométricas se generan temperaturas muy elevadas, que en ocasiones están por encima de los límites de resistencia termo-mecánica del equipo en el que se produce la combustión. Con el fin de evitar esta circunstancia, según una realización preferida, se aporta al motor de combustión el O2 diluido con otro fluido.
Según una realización preferida, el sistema de la presente invención comprende un
recirculador de gas de escape, que recircula hacia la OTM una parte del gas de escape producido en el motor de combustión. El gas de escape recirculado constituye un gas de arrastre en la OTM, que recoge el O2 permeado, conformando así el gas de alimentación (6) del motor de combustión. El resto de gas de escape (8), que como se verá posteriormente está compuesto fundamentalmente de H2O (y puede contener también O2), se expulsa a la atmósfera por ser inocuo.
Respecto al subsistema de acondicionamiento (D), este comprende uno o varios componentes que permiten adaptar las condiciones termodinámicas (por ejemplo, la presión y temperatura), y/o la composición de uno o varios fluidos del sistema, para el correcto funcionamiento del resto de subsistemas. Preferiblemente el subsistema de acondicionamiento (D) es regenerativo. El tipo de componentes y la configuración interna puede cambiar parcialmente, dando lugar a diferentes realizaciones posibles:
- Según una realización preferida mostrada en la figura 1, el subsistema de generación de O2 (C) está integrado en el subsistema de acondicionamiento (D). En este caso, el subsistema de generación de O2 permite adaptar la composición del aire entrante para conformar el gas de alimentación del motor de combustión.
- Según una realización preferida, el subsistema de acondicionamiento (D) comprende uno o varios intercambiadores de calor para adecuar la temperatura de uno o varios fluidos del sistema (calentar o enfriar). Preferiblemente, el intercambiador o intercambiadores de calor son regenerativos, de modo que los fluidos con mayor temperatura ceden calor a los de menor temperatura.
- Según una realización preferida, el subsistema de acondicionamiento (D) comprende uno o varios turbocompresores para incrementar la presión de uno o varios fluidos del sistema, por ejemplo, los que requieren estar por encima de la presión atmosférica. Preferiblemente, el accionamiento del turbocompresor o turbocompresores se hace gracias a la entalpía de gases calientes generados en el propio sistema de generación de energía.
- Según una realización preferida, el subsistema de acondicionamiento (D) comprende uno o varios compresores cuyo accionamiento se hace con potencia mecánica o eléctrica obtenida a partir del motor de combustión interna.
- Según una realización preferida, el subsistema de acondicionamiento (D) comprende un medio de hidratación, para hidratar el combustible precursor de H2 cuando este es un hidrocarburo (de base carbono). Preferiblemente, como medio de hidratación se emplea el H2O procedente del flujo de gas de escape del motor de combustión y/o del flujo de rechazo del REM.
- Según una realización preferida, el subsistema de acondicionamiento (D) puede comprender un medio de arrastre, para proporcionar al REM una corriente de entrada de arrastre o de fuente de iones oxígeno (3’). Preferiblemente, dicha corriente es rica en H2O; y más preferiblemente, procede del flujo de gas de escape del motor de combustión y/o del flujo de rechazo del REM.
- Preferiblemente, el subsistema de acondicionamiento (D) comprende una o varias válvulas para regular la recirculación de gas de escape a través de la OTM.
A continuación, se detallan varios aspectos relacionados con los diferentes flujos de fluido del sistema. El funcionamiento del sistema de la presente invención se basa en la circulación de flujos de fluido mediante conductos entre los diferentes subsistemas. En la figura 1 se ha identificado cada flujo de fluido cuya composición es diferente al resto: aire (1), precursor frío (2), precursor caliente (3), H2 comprimido (4), gas de rechazo del REM caliente (5), gas de alimentación (6), gas de escape caliente (7), gas de escape frío (8), gas de rechazo de la OTM frío (9), gas de rechazo del REM frío (10), gas de rechazo del REM frío sin CO2 (11). Durante su evolución en el sistema, los fluidos pueden enfriarse o calentarse, comprimirse o expandirse, así como cambiar su composición (por ejemplo, debido a una reacción química, por mezcla con otro flujo, o por separación de sus especies componentes en membranas específicas). Dichos cambios de temperatura, presión y composición pueden tener lugar en diferentes componentes de la invención como, por ejemplo, en los subsistemas, en el dispositivo de captura de CO2, etc.
Con respecto al combustible precursor de H2, según una realización preferida, el sistema de generación de energía de la presente invención acepta múltiples combustibles precursores de H2 (es decir, se trata de un sistema con capacidad multi-combustible), de modo que la configuración del sistema es prácticamente independiente del combustible precursor de H2, y tan solo el funcionamiento de algunos componentes del subsistema de
acondicionamiento (D) se adaptan en función del combustible precursor de H2. Algunos ejemplos de combustibles precursores de H2 que acepta el sistema son los siguientes: NH3, CH4, CNG, GLP, CH3OH, HVO, OMEx; estos fluidos tienen alta densidad energética (líquidos o gases comprimidos), y están plenamente disponibles en las infraestructuras actuales o lo estarán en infraestructuras futuras.
De este modo, el sistema es capaz de funcionar con alimentación de un precursor de H2 (2) que incluya carbono en su formulación química (por ejemplo, hidrocarburos líquidos o gaseosos) y también que no lo tenga (por ejemplo, NH3); si el precursor de H2 es un hidrocarburo requiere hidratación, por lo que la corriente de entrada (3) al subsistema de generación de H2 incluye también H2O.
Dependiendo del combustible precursor de H2 empleado, la composición de algunos flujos de fluido puede cambiar, como se indica a continuación:
- Según las realizaciones preferidas en las que el precursor de H2 no es un hidrocarburo, el gas de rechazo del subsistema de generación de H2 (5, 10, 11) no incluye CO2. Así, por ejemplo, para NH3 como precursor de H2, el gas de rechazo del subsistema de generación de H2 es N2 puro. En este caso no es necesario el dispositivo de captura de CO2 (H).
- Según las realizaciones preferidas en las que el precursor de H2 es un hidrocarburo, el gas de rechazo del subsistema de generación de H2 (5, 10) incluye en su composición CO2 y H2O.
- Según las realizaciones preferidas en las que el precursor de H2 es un hidrocarburo, si se incluye un dispositivo de captura de CO2 (H), el gas de rechazo del subsistema de generación de H2 tras el dispositivo de captura de CO2 (flujo 11) está compuesto solo de H2O (gas de rechazo sin CO2).
Con respecto a otros flujos de fluido del sistema de la presente invención:
- Según una realización preferida, el subsistema de generación de O2 (C) genera O2 prácticamente puro, y un gas de rechazo del subsistema de generación de O2 (9) compuesto por el resto de las especies no permeadas procedentes del aire.
- Según una realización preferida, el gas de alimentación (6) incluye O2 en su composición y vapor de H2O como gas de dilución.
- La composición del gas de escape (7, 8) depende de la composición del gas de alimentación (6). En general el gas de escape es una mezcla, en proporciones variables,
de O2 y H2O.
A continuación, se incluye una descripción más detallada de la invención apoyándose en dos ejemplos, así como en las figuras correspondientes (figuras 2-4), que se incluyen con el fin de ilustrar las explicaciones y no de limitarlas. Estos ejemplos corresponden a varias realizaciones preferidas considerando la composición química del precursor de H2 (2) como aspecto distintivo. De este modo, se proponen las siguientes realizaciones preferidas del sistema de generación de energía de la presente invención:
- Sistema de generación de energía en el que el combustible precursor de H2 es un hidrocarburo.
- Sistema de generación de energía en el que el combustible precursor de H2 no es un hidrocarburo.
Ejemplo 1: Sistema de generación de energía cuyo precursor de H2 es un hidrocarburo
A continuación, se explica la realización preferida correspondiente al ejemplo 1 apoyándose en la figura 2. Según esta realización preferida:
- El precursor de H2 es un hidrocarburo.
- El subsistema de generación de H2 (B) se basa en un reactor electroquímico de membrana (REM).
- El subsistema de generación de O2 (C) se basa en una membrana cerámica OTM, y está integrado en el subsistema de acondicionamiento (D).
- El subsistema de acondicionamiento (D) es regenerativo.
- El subsistema de potencia (A) está basado en un motor de combustión interna alternativo (MCIA) que funciona en modo oxicombustión con el O2 generado en la OTM:
■ Según una variante, el MCIA es de encendido por compresión (MEC).
■ Según otra variante, el MCIA es de encendido provocado (MEP).
En ambos casos, los flujos de entrada al motor son H2 comprimido (4) como combustible motor; y gas de alimentación (6) como comburente motor, compuesto de O2 y vapor de H2O como gas de dilución.
- Se incluye un recirculador de gas de escape, que recircula hacia la OTM una parte del gas de escape producido en el motor de combustión. El gas de escape recirculado constituye un gas de arrastre en la OTM, que recoge el O2 permeado, conformando así el gas de alimentación (6) del MCIA. El resto de gas de escape (8), compuesto
fundamentalmente de H2O (y puede contener también O2), se expulsa a la atmósfera por ser inocuo.
El comburente que se aporta al motor no es aire, sino que está compuesto por O2 y gas diluyente que, fundamentalmente es H2O procedente de una recirculación de los gases de escape (EGR).
La generación de O2 tiene lugar en la membrana cerámica OTM. La membrana requiere trabajar, típicamente, a temperaturas en torno a los 850°C que consigue mantener gracias al flujo caliente de gases de escape (7). Se incluyen intercambiadores para disminuir la temperatura del gas de alimentación (6) del motor que, a la salida de la OTM puede superar los 800°C. Para ello, como foco frío regenerativo, se emplea flujos del sistema como son el flujo frío de aire (1) dirigido a la OTM o el flujo frío de precursor de H2 (2). La membrana OTM tiene una selectividad del 100% de modo que solo permite el paso de O2, estando el resto gas de rechazo de la membrana OTM compuesto fundamentalmente de N2 y algo de O2 no permeado, que es expulsado del sistema. Junto a la OTM, para la generación del O2 se incluye en el subsistema de acondicionamiento (D) varios intercambiadores regenerativos y turbogrupos, o compresores con accionamiento eléctrico o mecánico, para aumentar la presión del gas de alimentación (6) hasta el valor requerido. En alguna variante el O2 puede proceder de otra fuente, como por ejemplo (aunque no exclusivamente) de un depósito de O2.
La generación del H2 tiene lugar en el REM. La membrana del REM opera a una temperatura por encima de los 450°C. El precursor de H2 se precalienta en el subsistema de acondicionamiento (D) dando lugar a un flujo de precursor de H2 caliente (3) a su entrada al reactor REM. El H2 sale del reactor REM a una temperatura mayor de 450°C. La presión en la cámara de H2 del REM se regula a partir de una válvula reguladora de presión. La presión de esta cámara y, por lo tanto, del H2 generado puede superar los 250 bar. En cualquier caso, la presión en la cámara de H2 debe ser siempre superior a la presión en la cámara reactiva. El gas de rechazo del REM puede tener una composición variable dependiendo del hidrocarburo que se use como precursor, pero fundamentalmente se compone de CO2 y H2O.
El precursor de H2 (2) que alimenta la invención es un hidrocarburo cuyo estado en la entrada del sistema es gas o líquido. Dependiendo de su composición, presión y
temperatura, dicho precursor de H2 se prepara en el subsistema de acondicionamiento (D) regenerativo antes de entrar al REM, lo que requiere lo siguiente:
- La presión de entrada al REM debe estar por debajo de 40 bar, aunque el sistema puede soportar presiones de trabajo mucho mayores. Si la presión del precursor de H2 al entrar al subsistema de acondicionamiento (D) es inferior a los requerimientos del REM, se comprime mediante un compresor (si el precursor de H2 está en estado gaseoso) o una bomba (si el precursor de H2 está en estado líquido), tomando en ambos casos la energía del motor.
- La temperatura de entrada al REM está típicamente entre 350°C y 400°C, para conseguir que internamente el REM esté a más de 450°C y que el proceso catalítico funcione correctamente (habitualmente trabaja en régimen exotérmico, con lo que el gas incrementa la temperatura en su interior). El calentamiento en el subsistema de acondicionamiento (D) se hace por medio de intercambiadores regenerativos, empleando como focos calientes el gas de rechazo del REM (5), con una temperatura mayor de 400°C, y los gases de escape procedentes del MCIA.
- Hidratación: Como en este ejemplo de realización el precursor de H2 es un hidrocarburo, es necesario hidratarlo para el funcionamiento del REM.
Según una opción, el precursor se hidrata mezclándolo con el agua procedente del gas de escape frío (8). Dicho gas puede incluir O2, en cuyo caso es necesario reducir su temperatura por debajo de los 100°C para condensar el agua. Dado que con el intercambio regenerativo no se garantiza bajar hasta dicha temperatura se incluye un intercambiador para disminuir la temperatura del gas mediante la cesión de calor al ambiente.
Según una variante de esta realización, para hidratar el precursor de H2 se usa el agua procedente del gas de rechazo del REM frío que se obtiene tras el dispositivo de captura de CO2 (flujo 11); si en la realización preferida no se incluye el dispositivo de captura de CO2 (H), si se requiere se puede incorporar un intercambiador para condensar el agua como en la variante donde se obtiene el H2O del gas de escape.
Además de los componentes anteriores y de los descritos para acondicionar el gas de alimentación y el precursor de H2, el subsistema de acondicionamiento (D) regenerativo puede incluir un sistema de válvulas para regular la recirculación de gases de escape (7) a través de la OTM, aunque puede haber realizaciones donde se prescinda de ellas.
Respecto a las condiciones termodinámicas del comburente y del combustible motor, sus
temperaturas están habitualmente por debajo de los 100°C. El suministro de comburente al motor normalmente se hace mediante un turbosobrealimentador accionado por los gases de escape calientes; o por un compresor accionado eléctrica o mecánicamente que obtiene la potencia del propio motor. La presión de alimentación del comburente se encuentra entre 1 y 4 bares, dependiendo del motor, del punto de operación y de las prestaciones de la membrana de separación OTM. El MCIA se alimenta con H2 a una presión superior a la del comburente (típicamente entre 1 y 3 bar por encima).
Los gases de escape del motor tienen una temperatura alta, típicamente entre 750° y 1000°C dependiendo de si este es MEC o MEP, de la dilución del comburente y de las condiciones de operación del motor de combustión (régimen y carga). En el caso de un MEP de oxicombustión se suele trabajar con relaciones O2-combustible motor (dosados) próximas a la estequiométrica por lo que su temperatura de escape es superior a la de un MEC, que puede operar con dosados algo inferiores. En cualquier caso, las altas temperaturas requeridas por la OTM, junto con el alto coste energético requerido para generar O2, hace que el dosado de trabajo sea más alto en el caso de MEC que en un MCIA convencional, donde el gas de alimentación contiene aire (en el caso de MEP ya operan con dosado estequiométrico en combustión convencional). El resultado es la temperatura de escape tal alta que se ha indicado. A medida que aumenta la carga del MCIA la temperatura de escape tiende a subir.
La composición de los gases de escape depende del dosado: en el caso de que el dosado sea estequiométrico, la composición de los gases de escape es sólo H2O generado en la combustión; en el caso de que el dosado sea inferior al estequiométrico, la composición de los gases de escape contiene O2 de exceso. A diferencia de un motor convencional, los gases de escape no contienen argón, N2, CO2 ni NOx.
Además, el sistema del presente ejemplo comprende una serie de componentes auxiliares que pueden ser imprescindibles (medio de aporte eléctrico al reactor REM), que flexibilizan su operación (depósitos o almacenamiento eléctrico temporales) o mejoran sus prestaciones (dispositivo de captura de CO2). A continuación, se indican dichos componentes auxiliares:
- Se incluye un depósito de precursor de H2 (E). El depósito de precursor de H2 es un depósito presurizado cuando se alimenta el sistema con un gas, mientras que, si es líquido, el subsistema de acondicionamiento (D) se encarga de adaptar su presión.
Según una variante en la que la aplicación es estacionaria, puede alimentarse el precursor de H2 desde una línea presurizada, siendo el funcionamiento del sistema análogo al caso de almacenamiento de precursor de H2 en el depósito.
- Se incluye, al menos, un generador eléctrico como medio de alimentación eléctrica al reactor REM. El generador eléctrico está vinculado al motor, de manera que una parte de la energía producida por el motor se utiliza para alimentar la membrana REM con corriente eléctrica por medio del generador eléctrico. Con el resto de energía producida por el motor se puede realizar lo siguiente:
■ Puede sacarse mecánicamente como potencia neta mediante un dispositivo de transmisión mecánica.
■ Puede ser transformada en electricidad. La electricidad transformada, a su vez, puede suministrarse como potencia neta eléctrica o almacenarse en una batería. - Puesto que el gas de rechazo del REM incluye CO2 en su composición, se incluye un dispositivo de captura de CO2 (H), habitualmente basado en etapas sucesivas de compresión y enfriamiento, con el fin de que el sistema tenga emisiones de CO2 cero. Según una variante, no se incluye el dispositivo de captura de CO2 (H).
- Se incluye un depósito de H2 (G), que permite almacenar temporalmente el H2 excedente a una presión de hasta 200 bar. Según una alternativa, el depósito de H2 (G)almacena H2 a presiones superiores. El H2 a la salida del reactor REM está caliente (> 450°C) por lo que se enfría antes de ser inyectado en el MCIA, o antes de almacenarse en el depósito de H2. Según una opción alternativa, se puede implementar un almacenamiento de H2 caliente que pueda prescindir del enfriamiento.
Ejemplo 2: Sistema de generación de energía cuyo precursor de H2 no es un hidrocarburo
A continuación, se explica la realización preferida correspondiente al ejemplo 2 apoyándose en las figuras 3 y 4. Según esta realización preferida, se mantiene igual que en el ejemplo 1 lo siguiente:
- Se mantiene el subsistema de generación de H2 (B) basado en la REM. La generación del H2 en el reactor REM mantiene las condiciones de temperatura como en la realización preferida del ejemplo 1, y también se mantiene el medio de aporte eléctrico, el precalentamiento regenerativo del precursor de H2, el subsistema de acondicionamiento (D) y almacenamiento de H2.
- Se mantiene el subsistema de generación de O2 (C) basado en la OTM e integrado en
el subsistema de acondicionamiento (D) regenerativo. Los requerimientos térmicos de la membrana cerámica OTM que genera el O2 son los mismos que en la realización preferida del ejemplo 1 y se incluyen en el subsistema de acondicionamiento (D) varios intercambiadores regenerativos.
- Se mantiene el subsistema de potencia (A) basado en el MCIA, que funciona en modo oxicombustión, y que puede ser un MEC o un MEP, según variantes.
- Al igual que en el ejemplo 1, los flujos de entrada al motor son H2 comprimido (4) como combustible motor; y gas de alimentación (6) como comburente motor, compuesto de O2 y vapor de H2O como gas de dilución.
- Las condiciones termodinámicas (presiones y temperaturas) del combustible y comburente del MCIA, así como los medios para su acondicionamiento son los mismos que en la realización preferida del ejemplo 1. Así, el suministro de comburente al MCIA normalmente se hace mediante un sobrealimentador. Puede haber variantes con un turbocompresor accionado por los gases de escape calientes o un compresor cuyo accionamiento eléctrico o mecánico obtiene la potencia del motor. La opción de incluir un intercambiador para disminuir la temperatura del comburente es igual que en la realización preferida del ejemplo 1.
- Todo lo indicado en la realización preferida del ejemplo 1 respecto a la composición y condiciones termodinámicas de los gases de escape del MCIA y EGR es aplicable en esta realización.
- La producción de la potencia mecánica en el motor, así como su transmisión para ser usada directamente, su conversión en electricidad, almacenamiento en batería y alimentación del REM son iguales que en la realización preferida del ejemplo 1.
Los cambios respecto a la realización preferida del ejemplo 1 son los siguientes:
- En este caso, el precursor de H2 (2) que alimenta la invención no es un hidrocarburo.
No obstante, comparte con el ejemplo 1 que el precursor de H2 puede ser un líquido o gas y que tiene que ser igualmente acondicionado antes de entrar al REM. A modo de ejemplo (no excluyente), la figura 4 presenta una realización preferida donde el precursor de H2 es NH3.
Aunque las condiciones de presión y temperatura a la entrada del REM, y los medios regenerativos para conseguirlos son los mismos que en el ejemplo 1, algunos requerimientos a la entrada del REM cambian, debido a que la composición del precursor de H2 es diferente a la del ejemplo 1:
En general, en esta realización no es necesario hidratar el precursor por lo que puede
prescindirse de la instalación correspondiente descrita en la realización preferida 1. No obstante, en caso de que el precursor de H2 lo requiera se puede emplear una instalación análoga al ejemplo 1, mediante la que se obtiene el agua del gas de escape frío (8) o recirculándola del gas de rechazo del REM (5) enfriado hasta condensar. - El gas de rechazo del REM (5, 11) puede tener una composición variable dependiendo del precursor de H2, pero a diferencia del ejemplo 1, no contiene CO2, ya que el precursor de H2 no incluye carbono en su formulación química.
- Respecto a los componentes auxiliares, en este caso el depósito de precursor de H2 (E) contiene un gas o líquido que no es un hidrocarburo; como en el ejemplo 1, en alguna variante estacionaria se puede prescindir del depósito y alimentar el precursor de H2 desde una línea presurizada. Puesto que el gas de rechazo del REM no incluye CO2 en su composición, se puede prescindir del dispositivo de captura de CO2 (H).
Aunque se ha descrito la presente invención con referencia a opciones y realizaciones particulares de la misma, los expertos en la técnica podrán realizar modificaciones y variaciones a las enseñanzas anteriores sin por ello apartarse del alcance y el espíritu de la presente invención.
Por ejemplo, debe entenderse que las realizaciones descritas en el presente documento son compatibles (aunque no sea el uso habitual) con una alimentación de combustible al motor que no sea solo H2 puro procedente del subsistema de generación de H2 (B), sino que además se puede emplear simultáneamente cualquier otro combustible líquido o gas (hidrocarburo o no) como gasoil, gasolina, gas natural, GLP, NH3, etc. El hecho de emplear simultáneamente cualquier otro combustible implica afectar a la composición del gas de escape (7, 8), que puede contener CO2 si el combustible es un hidrocarburo; y puede afectar al gas de alimentación (6) del motor de combustión debido a una recirculación de gases de escape. En este caso, con el fin de evitar la expulsión de CO2 al ambiente, el sistema de generación de energía de la presente invención puede comprender un medio de captura de CO2. Este medio de captura de CO2 puede ser el mismo dispositivo de captura de CO2 (H) mencionado anteriormente (con relación al gas de rechazo del REM), o puede ser otro dispositivo de captura de CO2.
Claims (24)
1. Sistema de generación de energía a partir de aire y un combustible precursor de H2, que comprende:
- un subsistema de potencia (A) basado en un motor de combustión;
- un subsistema de generación de H2 (B) a partir del combustible precursor de H2; - un subsistema de generación de O2 (C) a partir del aire;
- un subsistema de acondicionamiento (D) de fluidos del sistema para el correcto funcionamiento del resto de subsistemas;
- conductos, que conducen flujos de fluido por el sistema;
de manera que se aporta al motor de combustión el O2 y el H2 generados; y se produce energía por medio de un proceso de oxicombustión en dicho motor de combustión.
2. Sistema según la reivindicación 1, que acepta diferentes tipos de combustible precursor de H2, pudiendo ser un combustible de base carbono o un combustible de base no-carbono.
3. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el motor de combustión es un motor de combustión interna alternativo (MCIA), que se selecciona del grupo que comprende motor de encendido provocado (MEP), motor de encendido por compresión (MEC).
4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el subsistema de generación de H2 (B) se alimenta eléctricamente con energía proveniente del motor de combustión; y el subsistema de acondicionamiento (D) se alimenta térmicamente con calor generado por el motor de combustión.
5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el subsistema de generación de H2 (B) se basa en un reactor electroquímico de membrana (REM).
6. Sistema según la reivindicación 5, en el que el reactor electroquímico de membrana (REM) comprende:
- una cámara reactiva;
- una cámara de hidrógeno;
- una celda electroquímica, que comprende, a su vez:
■ un electrodo cátodo (i);
■ un electrodo ánodo (iii);
■ un electrolito (ii) en forma de membrana, dispuesta entre el electrodo cátodo y el electrodo ánodo; de manera que la cámara reactiva y la cámara de hidrógeno están separadas por la membrana;
■ una fuente de energía eléctrica conectada a los electrodos por medio de un circuito eléctrico.
7. Sistema según la reivindicación 6 en el que el material de la membrana del reactor electroquímico de membrana puede ser de un material que presenta conductividad protónica, de un material que presenta conductividad de iones oxígeno, o de un material que presenta conductividad co-iónica a protones e iones oxígeno.
8. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en el que el reactor electroquímico de membrana comprende un catalizador en la cámara reactiva, que está especializado en varios sistemas reactivos, lo que permite llevar a cabo reacciones de distintos tipos de combustible precursor de H2.
9. Sistema según la reivindicación 8, en el que el reactor electroquímico de membrana comprende un catalizador basado en Ni.
10. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el subsistema de generación de O2 (C) está integrado en el subsistema de acondicionamiento (D).
11. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el subsistema de generación de O2 (C) se basa en una membrana OTM.
12. Sistema según la reivindicación 11, en el que la membrana OTM es una membrana de tipo MIEC o una membrana de tipo POC.
13. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 11 o 12, que comprende un recirculador de gas de escape, que recircula hacia el subsistema de generación de O2 basado en la OTM una parte de un gas de escape producido en el motor de combustión; constituyendo el gas de escape recirculado un gas de arrastre en la OTM,
que recoge O2 permeado, conformando así un gas de alimentación (6) del motor de combustión.
14. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el subsistema de acondicionamiento (D) comprende uno o varios intercambiadores de calor regenerativos para adecuar la temperatura de uno o varios fluidos del sistema.
15. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el subsistema de acondicionamiento (D) comprende uno o varios turbocompresores para incrementar la presión de uno o varios fluidos del sistema; accionándose el turbocompresor o turbocompresores gracias a la entalpía de gases calientes generados en el propio sistema de generación de energía.
16. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el subsistema de acondicionamiento (D) comprende uno o varios compresores cuyo accionamiento se hace con potencia mecánica o eléctrica obtenida del motor de combustión.
17. Sistema según la reivindicación 5 en combinación con cualquiera de las reivindicaciones 6 a 16, en el que el subsistema de acondicionamiento (D) comprende un medio de hidratación, para hidratar el precursor de H2 cuando este es un hidrocarburo, empleando H2O procedente de un flujo de gas de escape del motor de combustión y/o de un flujo de rechazo del reactor electroquímico de membrana (REM).
18. Sistema según la reivindicación 5 en combinación con cualquiera de las reivindicaciones 6 a 17, en el que el subsistema de acondicionamiento (D) comprende un medio de arrastre para proporcionar al reactor electroquímico de membrana (REM) una corriente de entrada de arrastre o de fuente de iones oxígeno (3’), con la particularidad de que dicha corriente es rica en H2O y procede del flujo de gas de escape del motor de combustión y/o del flujo de rechazo del reactor electroquímico de membrana (REM).
19. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un equipo de gestión energética (F) que, a su vez, comprende:
- un dispositivo de transmisión mecánica, que transmite energía mecánica producida por el motor de combustión hacia la salida y/u otras partes del sistema;
- un generador eléctrico, que transforma energía mecánica producida por el motor de combustión en electricidad.
20. Sistema según la reivindicación 19, en el que la potencia mecánica del motor de combustión es transformada íntegramente en electricidad por medio del generador eléctrico, que se reparte entre el subsistema de generación de H2 (B) y una salida de potencia neta del sistema.
21. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica proveniente del motor de combustión.
22. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un depósito de precursor de H2 (E) con el fin de poder almacenar combustible precursor de H2 sin depender de un suministro continuo.
23. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un depósito de H2 (G) presurizado, con el fin de almacenar H2 o consumirlo si la tasa de producción del subsistema de generación de H2 (B) es diferente de la tasa de consumo del motor de combustión.
24. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un dispositivo de captura de CO2 (H) para evitar su expulsión al ambiente.
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