Ciclo azufre-yodo

El ciclo azufre-yodo (ciclo S-I) es un ciclo termoquímico de tres pasos que se utiliza para producir hidrógeno.

El ciclo S–I consta de tres reacciones químicas cuyo reactivo neto es agua y cuyos productos netos son hidrógeno y oxígeno. Todos los demás productos químicos se reciclan. El proceso S – I requiere una fuente eficiente de calor.

Descripción del proceso

Las tres reacciones combinadas para producir hidrógeno son las siguientes:

I2 + SO₂ + 2 H₂O - calor.→ 2 HI + H₂Así que...₄ (120 °C (250 °F))

El HI se separa por destilación o separación gravitica líquido/líquido.

2 H2SO4 + calor→ 2 SO2 + 2 H2O + O2 (830 °C (1,530 °F)

El agua, SO₂ y H residuales₂Así que...₄ debe separarse del subproducto de oxígeno por condensación.

2 HI + calor→ I₂ + H2 (450 °C (840 °F)

Yodo y cualquier agua acompañante o SO₂ están separados por condensación, y el producto de hidrógeno permanece como gas.

Reacción neta: 2 H₂O → 2 H₂ + O₂

Los compuestos de azufre y yodo se recuperan y reutilizan, de ahí la consideración del proceso como un ciclo. Este proceso S – I es un motor térmico químico. El calor ingresa al ciclo en las reacciones químicas endotérmicas de alta temperatura 2 y 3, y el calor sale del ciclo en la reacción exotérmica de baja temperatura 1. La diferencia entre el calor que entra y sale del ciclo sale del ciclo en forma de calor de combustión. del hidrógeno producido.

Características

Ventajas

• Todo el proceso fluido (líquidos, gases), por lo tanto bien adaptado para la producción continua
• Alta eficiencia térmica predicho (alrededor del 50%)
• Sistema completamente cerrado sin subproductos o efluentes (además de hidrógeno y oxígeno)
• Adecuado para la aplicación con fuentes de calor solar, nuclear e híbrido (por ejemplo, solar-fosil) - si se pueden alcanzar temperaturas suficientemente altas
• Más desarrollados que los procesos termoquímicos competidores
• Escalable de aplicaciones relativamente pequeñas a grandes
• No es necesario para catalizadores o aditivos caros o tóxicos
• Más eficiente que la electrolisis del agua (~70-80% de eficiencia) utilizando electricidad derivada de una central térmica (~30-60% de eficiencia) combinando a ~21-48% de eficiencia
• Calor de residuos adecuado para calefacción de distrito si se desea la cogeneración

Desventajas

• Temperaturas muy altas (al menos 850 °C (1,560 °F)) - inalcanzable o difícil de alcanzar con reactores de agua presurizados actuales o energía solar concentrada
• Reactivos corresivos utilizados como intermediarios (yodo, dióxido de azufre, ácido hidraídico, ácido sulfúrico); por lo tanto, materiales avanzados necesarios para la construcción de aparatos de proceso
• Es necesario que haya un desarrollo importante que sea factible a gran escala
• En el rango de temperatura propuesto las centrales térmicas avanzadas pueden lograr eficiencias (producto eléctrico por entrada de calor) en exceso de 50% negando un poco la ventaja de eficiencia
• En caso de fuga de sustancias corrosivas y algo tóxicas se liberan al medio ambiente - entre ellas el yodo volátil y el ácido hidroídico
• Si el hidrógeno se utiliza para el calor del proceso, las altas temperaturas requeridas hacen los beneficios en comparación con la utilización directa del calor cuestionable
• Incapaz de utilizar fuentes de energía térmica no térmicas o de bajo nivel como energía hidroeléctrica, energía eólica o la mayoría de energía geotérmica disponible actualmente

Research

El ciclo S-I fue inventado en General Atomics en la década de 1970. El Organismo de Energía Atómica de Japón (JAEA) ha llevado a cabo experimentos exitosos con el ciclo S-I en el reactor de prueba de alta temperatura refrigerado de Helio, un reactor que alcanzó la primera crítica en 1998, JAEA tiene la aspiración de utilizar nuevos reactores de generación IV de alta temperatura nuclear (VHTR) para producir cantidades industriales de hidrógeno. (Los japoneses se refieren al ciclo como el ciclo IS.) Se han hecho planes para probar sistemas automatizados a gran escala para la producción de hidrógeno. En virtud de un acuerdo de la Iniciativa Internacional de Investigación sobre la Energía Nuclear (INERI), los Laboratorios Nacionales de la CEA, la Aeronáutica General y Sandia están desarrollando conjuntamente el proceso de azufre y yodo. Se están realizando investigaciones adicionales en el Laboratorio Nacional de Idaho, Canadá, Corea e Italia.

Desafío material

El ciclo S–I implica operaciones con productos químicos corrosivos a temperaturas de hasta aproximadamente 1000 °C (1830 °F). La selección de materiales con suficiente resistencia a la corrosión bajo las condiciones del proceso es de importancia clave para la viabilidad económica de este proceso. Los materiales sugeridos incluyen las siguientes clases: metales refractarios, metales reactivos, superaleaciones, cerámicas, polímeros y recubrimientos. Algunos materiales sugeridos incluyen aleaciones de tantalio, aleaciones de niobio, metales nobles, aceros con alto contenido de silicio, varias superaleaciones a base de níquel, mullita, carburo de silicio (SiC), vidrio, nitruro de silicio (Si₃N ₄), y otros. Investigaciones recientes sobre la creación de prototipos a escala sugieren que las nuevas tecnologías de superficies de tantalio pueden ser una forma técnica y económicamente viable de realizar instalaciones a mayor escala.

Economía del hidrógeno

El ciclo azufre-yodo se ha propuesto como una forma de suministrar hidrógeno para una economía basada en el hidrógeno. No requiere hidrocarburos como los métodos actuales de reformado con vapor, pero requiere calor de la combustión, reacciones nucleares o concentradores de calor solar.