Sobre el proyecto IDEAL

El jueves 28 de noviembre de 2019, el Parlamento de la Unión Europea (UE) declaró una Emergencia Climática y estipuló el ambicioso objetivo de alcanzar la neutralidad climática en 2050, lo que implica la descarbonización de todos los sectores de la economía. En este sentido, el hidrógeno y los combustibles derivados del hidrógeno surgen como una opción realista para almacenar, durante largos períodos de tiempo, el exceso de electricidad generada mediante tecnologías de energías renovables. El transporte y el almacenamiento son clave para impulsar la competitividad de los combustibles basados en H2. Pero, para permitir la transición a un sistema energético libre de carbono, es crucial resolver las limitaciones tecnológicas que impiden la utilización eficiente del H2  para producir energía de forma química o electroquímica.

Objectivos

El proyecto IDEAL tiene como objetivo contribuir al objetivo global de la Unión Europea y del Gobierno español de reducción de emisiones de CO2 y mejora de la eficiencia  de conversión de energía mediante el desarrollo de sistemas de combustión basados ​​en hidrógeno sostenible, combustibles derivados del hidrógeno (amoniaco, biocombustibles y combustibles sintéticos, como metano o DME) y gas reformado. Los problemas tratados aquí abarcan desde el desarrollo de esquemas de combustión optimizados hasta el uso de técnicas numéricas y experimentales avanzadas con el objetivo global de proporcionar herramientas predictivas precisas de amplio uso industrial. La diversidad de problemas a tratar y la interconexión entre los diferentes aspectos del proyecto requiere de una combinación equilibrada de habilidades que solo puede lograrse mediante la colaboración interdisciplinar del Departamento de Mecánica de Fluidos de la Universidad Carlos III (UC3M),  Grupo de Modelado del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), Grupo de Mecánica de Fluidos y Combustión de la Escuela de Aeronáutica de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y Grupo de Física de Fluidos de la Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED). Las principales líneas de innovación que plantea esta propuesta requieren un conjunto multidisciplinar de competencias que incluyen:

  • El uso químico y electroquímico de hidrógeno, combustibles derivados de hidrógeno y gas reformado.
  • El análisis flujos reactivos, incluida la transferencia de calor y masa y su interacción en llamas reales.
  • Experiencia para desarrollar, simplificar y representar de forma compacta la compleja cinética química de las llamas libres de carbono.
  • La capacidad de desarrollar y emplear sofisticadas técnicas de simulación numérica para la investigación de problemas fundamentales e industriales.
  • Capacidad para comprender y explicar los nuevos mecanismos físicos que explican la combustión a pequeña escala.
  • Capacidad de crear configuraciones experimentales innovadoras para analizar fenómenos complejos.
  • Habilidad técnica para mejorar la capacidad reactiva de los dispositivos electroquímicos utilizando técnicas de fabricación avanzadas.
  • Capacidad numérica y teórica para modelar el colector de flujo de gas multiescala en pilas de combustible electroquímicas.

Para obtener información adicional, puede descargar la presentación IDEAL en PDF (en Inglés): IDEAL presentation

Estructura del Proyecto

UC3M (coordinador)

IP 1: Mario Sánchez Sanz 
IP 2: Eduardo Fernández Tarrazo
TÍTULO: Estudio experimental y numérico de la combustión de hidrógeno y sus combustibles derivados.

Este subproyecto aborda cuestiones fundamentales relacionadas con el uso de combustibles alternativos. Por un lado, se centra en el análisis numérico-experimental de la combustión de hidrógeno y mezclas de hidrógeno-amoníaco e hidrógeno-gas natural en una cámara de combustión semi-confinada que imita, en una versión simplificada, el diseño de algunos motores.

En particular, este subproyecto abordará lo siguientes aspectos:

  • las particularidades asociadas a la combustión de mezclas de combustibles y combustibles de hidrógeno ultra-pobre.
  • el reformado de vectores energéticos (amoníaco, biocombustibles, metano y combustibles sintéticos) para producir hidrógeno.
  • los problemas de seguridad asociados con fugas no deseadas que puedan dar lugar, potencialmente, a la   combustión y explosión de instalaciones de almacenamiento que contienen este hidrógeno.

Dejando a un lado las particularidades técnicas de este estudio, este proyecto se enmarca dentro de los desafíos socioeconómicos que impone la necesaria transición energética. El interés del hidrógeno como actor clave en el futuro energético ha suscitado un interés internacional que ha impulsado el inicio de varios proyectos con la misma misión estratégica global de desarrollar una tecnología ambientalmente sostenible capaz de combatir el calentamiento global. 

Combustion and Flame, Volumen 201, marzo de 2019, páginas 1-11

CIEMAT

IP 1: Vadim Kourdioumov     
IP 2: M. Carmen Jiménez Sánchez
TÍTULO: El papel del hidrógeno y de los combustibles libres de carbono en la producción de calor y trabajo: analisis de la producción por reformado y de la  dinámica y seguridad de las llamas de hidrógeno

A pesar de que muchos problemas de combustión han recibido recientemente una amplia atención teórica, numérica y experimental, muchos problemas asociados con el uso de hidrógeno y mezclas derivadas de hidrógeno permanecen abiertos. Esto se debe principalmente a los cambios significativos en las propiedades fisicoquímicas de las mezclas producidas por la adición de hidrógeno. Estudiar las consecuencias fundamentales y prácticas de estos cambios en las características de los procesos de combustión es el principal objetivo de este proyecto.

Debido a la experiencia del grupo de Mecánica de Fluidos y Análisis de Combustión del CIEMAT en el análisis teórico y numérico de problemas mecánicos de fluidos, incluyendo flujos de reacción y sistemas de combustión, nuestro subproyecto estará dedicado a tres aspectos principales:

  1. El análisis de la viabilidad de la producción de hidrógeno mediante reformado en sistemas de pequeña escala.
  2. El estudio de la dinámica e inestabilidades en la combustión de hidrógeno y mezclas derivadas de hidrógeno.
  3. El análisis de las características de la ignición del hidrógeno y sus mezclas con otros combustibles en el contexto de un entorno fluido, centrándose en cuestiones de seguridad.

UPM

IP 1: Daniel Martínez Ruiz     
TÍTULO: Estrategias y seguridad en el vector de generación energética descarbonizada

International Journal of Hydrogen Energy, Volumen 44, Número 42, 3 de septiembre de 2019, Páginas 23807-23820

El desarrollo tecnológico sostenible ha encontrado diversas barreras, entre las cuales aparece la necesidad de altas transferencias de calor y generación de trabajo en aplicaciones de transporte, calefacción y producción industrial. El uso de combustibles alternativos para reducir las emisiones relacionadas con hidrocarburos es imperativo ante la incapacidad de sustituir los procesos de alta energía dependientes de reacción química por fuentes de generación eólica y solar.

Los principales candidatos considerados en las pasadas décadas han sido los dispositivos basados en hidrógeno, principalmente para su combustión directa o en pilas de combustible. Sin embargo, diversos retos derivados de su almacenamiento y seguridad han impedido una completa implantación. 

En el presente proyecto se plantea la viabilidad de incorporar este y otros combustibles alternativos que eliminen o reduzcan las emisiones por carbón, como el creciente interés por el NH3, de mayor facilidad de manejo y seguridad. Sin embargo, la reciente propuesta de utilización de NH3 como combustible habilita un campo de estudio en la cinética química de su reacción con oxígeno. Por todo ello, se pretende lograr una mayor comprensión de las propiedades de dichos combustibles y de estos procesos de reacción fuera de escenarios físicos bien conocidos, los cuales transcurren particularmente en condiciones de confinamiento y con importantes efectos debidos a la transferencia de calor a través de las fronteras del sistema.

En especial, uno de los retos más acuciantes en torno a esta tecnología es la predicción de eventos totalmente indeseados de ignición e iniciación de explosiones en dispositivos o recintos confinados. El estudio sobre la propagación de llamas en ambientes desfavorables y su posible transición a detonaciones nos proveerá de información necesaria para la revisión de protocolos de seguridad y estrategias de diseño adecuadas en generadores de energía limpia. Distintos estudios numéricos y experimentales (incluyendo medidas del flujo y la reacción por técnicas PIV y PLIF) han sido propuestos en detalle en la memoria con la finalidad de analizar los regímenes de propagacióny los fundamentos físicos relacionados.

Por otro lado, la generación de dichos combustibles de manera local, a partir de hidrocarburos de procedencia biológica como el metano, se ha establecido haciendo uso de procesos de reformado. Este proceso permite la generación de ciertas cantidades de hidrógeno para ser utilizado directamente o potencialmente almacenado por enlaces químicos como por ejemplo NH3. La construcción y diseño de un prototipo reformador será llevado a cabo para la exploración de los posibles regímenes de operación estable. De esta manera, se enmarca el proyecto en torno al estudio y viabilidad del vector energético de producción de combustible y generación de energía limpia.

UNED

IP 1: Pedro García Ybarra
IP 2: Manuel Arias Zugasti    
TÍTULO: Estructura óptima de las capas catalíticas de intercambio de protones en pilas de hidrógeno y modelado de los efectos de reacción-difusión en llamas de hidrógeno

PILAS DE COMBUSTIBLE

En este subproyecto se considera la generación electroquímica de electricidad mediante pilas  de combustible PEM (Membrana de intercambio de protones) de baja y alta temperatura. El hidrógeno y el aire, como gases de alimentación, se suministran independientemente a los dos electrodos que están separados por una membrana ácida polimérica utilizada como electrolito. La reacción en cada electrodo tiene lugar a temperaturas relativamente bajas (40 – 70 ºC / 160-180 ºC) promovida por las capas electrocatalíticas ubicadas en las entrefases electrolito – electrodos. La eficiencia de la conversión radica principalmente en la efectividad de estas capas catalíticas para facilitar la adsorción química de los gases reactivos en los sitios catalíticos. Además, una operación continua satisfactoria requiere el transporte simultáneo de protones y electrones hacia / desde estos sitios a través del electrolito y los electrodos, respectivamente. La estructura de las capas catalíticas a nanoescala es la principal responsable de la eficacia de estos fenómenos. En general, una gran porosidad es suficiente para asegurar una superficie catalítica activa adecuada, pero, adicionalmente, se requiere una distribución de tamaño de poro adecuada para lograr una gestión óptima del agua producida y la llegada de los reactivos. El uso de un electropulverizador para depositar electrocatalizadores de Platino en los electrodos mediante la difusión de tintas catalíticas ha demostrado ser un método excelente para lograr capas catalíticas nanoestructuradas, lo que permite alcanzar eficiencias razonables incluso con cargas bajas y ultrabajas de platino. La optimización de este proceso se investigará en este proyecto mediante la evaluación de las propiedades catalíticas de tintas con diferentes componentes y concentraciones. La matriz experimental considerará una serie de electrocatalizadores de Pt / C, con diferentes concentraciones de platino a carbono, y varias cargas de platino en los electrodos de valores ultra bajos a bajos. Para cada una de estas configuraciones, se variará la concentración de isómero para obtener el valor óptimo.

COMBUSTIÓN

Este subproyecto también abordará teóricamente algunos problemas de combustión relacionados con las propiedades de difusión de los frentes de llama en diferentes configuraciones. El problema de ignición de una mezcla de hidrógeno y aire dentro de un vórtice por difusión de radicales H desde una llama lejana se analizará en el marco simplificado de un modelo cinético de dos pasos. Se considerará un paso de ramificación de cadena de alta energía de activación y un paso de terminación exotérmica para estudiar la fuga térmica observada experimentalmente que surge en el núcleo de un vórtice  que se acerca a una llama premezclada de hidrógeno. Las profundas implicaciones de este fenómeno en el tema clave de la propagación turbulenta de llamas justifican la elección de esta configuración singular para ser investigada teóricamente uniendo esfuerzos analíticos y computacionales. Además, la estructura y estabilidad de las llamas de hidrógeno también se considerarán mediante el uso de una descripción completa del transporte difusivo de masa y energía que incluye los efectos de Soret y Dufour.

Proyectos Previos

Combustión eficiente de biocombustibles con aplicación a la generación portátil de potencia.

SociosUC3M, CIEMAT
ReferenciaENE2015-65852-C2-1-R (e-biocomb)
Investigador PrincipalM. Sánchez Sanz, E. Fernández Tarrazo (UC3M)
Agencia FinanciadoraMinisterio de Economía y Competitividad
Fecha de inicio/fin01/01/2016 - 31/12/2019
Cantidad financiada323.780€
Relación con el proyecto IDEALRelacionado
Estado ActualFinanciado, finalizado

Combustión Limpia (SCORE)

SociosUC3M, CIEMAT, UPM, UNED, Universidad de Zaragoza (UNIZAR)
ReferenciaCSD2010-00011
Investigador PrincipalCoordinador Cesar Dopazo (UNIZAR)
Agencia FinanciadoraMINECO (programa CONSOLIDER)
Fecha de inicio/fin01/01/2011-31/12/2015
Cantidad financiada3.400.000€
Relación con el proyecto IDEALRelacionado
Estado ActualFinanciado, finalizado

Desarrollo de herramientas predictivas para la combustión de hidrógeno en turbinas de gas (HYSYCOMB)

SociosUC3M, CIEMAT, UPM, UNED
ReferenciaS2009/ENE-1597
Investigador PrincipalFrancisco José Higuera Antón (UPM)
Agencia FinanciadoraPrograma de I+D grupos de la Comunidad de Madrid
Fecha de inicio/fin01/01/2010 - 31/12/2013
Cantidad financiada834.325€
Relación con el proyecto IDEALRelacionado
Estado ActualFinanciado, finalizado

Fluidodinámica de la combustión del hidrógeno (HYCOMB)

SociosUC3M, CIEMAT, UPM, UNED
ReferenciaENE2008-06515-C04
Investigador PrincipalAntonio Sánchez (UC3M)
Agencia FinanciadoraMinisterio de Ciencia y Tecnología
Fecha de inicio/fin01/01/2009 - 31/12/2011
Cantidad financiada300.000€
Relación con el proyecto IDEALRelacionada
Estado ActualFinanciado, finalizado

Combustión Limpia: Análisis, Modelado y Simulación (COMLIMAMS)

SociosUC3M, CIEMAT, UPM, UNED
ReferenciaS0505/ENE-0229
Investigador PrincipalAmable Liñán (UPM)
Agencia FinanciadoraPrograma de I+D grupos de la Comunidad de Madrid
Fecha de inicio/fin01/01/2006 - 31/12/2009
Cantidad financiada969.727,50€
Relación con el proyecto IDEALRelacionado
Estado ActualFinanciado, finalizado

Contact

IDEAL tiene como objetivo cerrar las brechas de conocimiento con respecto al hidrógeno y los combustibles derivados del hidrógeno (amoníaco, biocombustibles, biogás) para desarrollar o adaptar los aparatos existentes a combustibles libres de carbono.

Puede escribirnos un correo electrónico o contactarnos a través de nuestro formulario de contacto.

Proyecto financiado por la Agencia Estatal de Investigación (PID2019-108592RB-C41-C42-C43-C44 / AEI / 10.13039/501100011033)

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