Procesados de combustibles en microrreactores para la producción de H2: estudio mediante dinámica de fluidos computacional (CFD)

El principal objetivo que se plantea en esta memoria de tesis doctoral es el desarrollo de modelos CFD que permitan analizar los fenómenos que gobiernan el funcionamiento de reactores de microcanales de pared catalítica en las reacciones en fase gaseosa implicadas en los procesos de obtención de hidrógeno y gas de síntesis mediante reformado de metano y alcoholes. Los modelos CFD deben ser lo más representativos posible del comportamiento de estos microrreactores, para que así puedan ser útiles de cara a la mejora del diseño de estos dispositivos y en la exploración de su comportamiento bajo diferentes condiciones de operación. Junto con este objetivo global se plantean una serie de objetivos parciales: - Implementación en los códigos CFD de las ecuaciones cinéticas de las distintas reacciones objeto de estudio. - Estudio del efecto de la dimensión característica de los microcanales y estudio paramétrico de los diferentes procesos. - Estudio hidrodinámico del comportamiento de los sistemas de distribución del fluido en los microcanales. - Integración térmica de procesos en los microrreactores. - Análisis de la influencia de las pérdidas de calor. La investigación que se ha llevado a cabo durante este periodo de tesis doctoral ha dado lugar por el momento a 6 publicaciones científicas que se desglosan en 5 artículos en revistas indexadas en el JCR-Sci (Journal Citation Report, Science Edition) y un capítulo de libro. Los artículos se encuentran publicados en revistas situadas en el primer cuartil dentro de la categoría de Ingeniería Química y, en su conjunto, han recibido 43 citas (Web of Science, Thomson Reuters) hasta el momento en que se ha redactado esta memoria. Mi contribución a estos trabajos ha consistido en la elaboración de los modelos CFD de los microrreactores así como el estudio mediante simulación de la influencia de las condiciones de operación y de la dimensión característica en su comportamiento (análisis y discusión de resultados). Para elaborar estos modelos, ha sido necesario construir las geometrías de los modelos y discretizarlas. Así mismo, seleccionar los métodos de cálculo numérico, incluyendo la implementación de las ecuaciones cinéticas de las reacciones implicadas. Los resultados de las simulaciones se han comparado, cuando ha sido posible, con resultados experimentales de colegas de otros grupos de investigación con los que se mantienen colaboraciones, o bien con resultados publicados en la literatura. En cuanto al trabajo realizado en la elaboración del capítulo de libro, mi trabajo ha consistido en la realización de la revisión bibliográfica. En el capítulo 2 se recoge una reproducción de estos artículos con indicios de su calidad. En el capítulo 3 se presentará un resumen de los resultados más sobresalientes alcanzados. En el capítulo 4 se recogen las conclusiones del estudio. Finalmente, en el Anexo se recopilan algunos detalles de los modelos CFD desarrollados.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería de Materiales y Fabricación (RD 1393/2007)Materialen eta Fabrikazioaren Ingeniaritzako Doktoretza Programa Ofiziala (ED 1393/2007

Operational strategies guideline for packed bed thermal energy storage systems

Thermal energy storage (TES) is presented as a proven element to reach a sustainable and efficient management of any thermally driven process. The inherent thermodynamic limitations associated to a thermal system, such as the unavailability of an appropriate heat source, thermal losses or improvable cycle efficiencies, justify the implementation of a TES. In practice, numerous industrial processes present noticeable enhancement opportunities according to the mentioned gaps. In these terms, solar-thermal power production, intensive heat demanding industries (steelmaking, glass, cement production etc.), or compressed air energy storage are representative examples with such optimization potential

Operation strategies guideline for packed bed thermal energy storage systems

Special issue research articlePacked bed thermal energy storage (TES) systems have been identified in the last years as one of the most promising TES alternatives in terms of thermal efficiency and economic viability. The relative simplicity of this storage concept opens an important opportunity to its implementation in many environments, from the renewable solar-thermal frame to the industrial waste heat recovery. In addition, its implicit flexibility allows the use of a wide variety of solid materials and heat transfer fluids, which leads to its deployment in very different applications. Its potential to overcome current heat storage system limitations regarding suitable temperature ranges or storage capacities has also been pointed out. However, the full implementation of the packed bed storage concept is still incomplete since no industrial scale units are under operation. The main underlying reasons are associated to the lack of a complete extraction of the full potential of this storage technology, derived from a successful system optimization in terms of material selection, design, and thermal management. These points have been evidenced as critical in order to attain high thermal efficiency values, comparable to the state-of-the-art storage technologies, with improved technoeconomic performance. In order to bring this storage technology to a more mature status, closer to a successful industrial deployment, this paper proposes a double approach. First, a low-cost by-product material with high thermal performance is used as heat storage material in the packed bed. Second, a complete energetic and efficiency analysis of the storage system is introduced as a function of the thermal operation. Overall, the impact of both the selected storage material and the different thermal operation strategies is discussed by means of a thermal model which permits a careful discussion about the implications of each TES deployment strategy and the underlying governing mechanisms. The results show the paramount importance of the selected operation method, able to increase the resulting cycle and material usage efficiency up to values comparable to standard currently used TES solutions.Financial support received from the European Commission through the H2020‐WASTE‐2014‐two‐stage(WASTE‐1‐2014) program (642067—RESLAG—IA) is gratefully acknowledged