Diseño y fabricación de distribuidores de flujo con distintas geometrías para la producción de formiato mediante electrorreducción de CO2

Abstract

El dióxido de carbono (CO2) es uno de los gases de efecto invernadero responsables del cambio climático, lo que causa fenómenos meteorológicos extremos, como incendios forestales, inundaciones, sequías y tormentas. Como estrategia para la mitigación del cambio climático, uno de los acuerdos alcanzados en la última conferencia de las Naciones Unidas (COP28) en Emiratos Árabes Unidos es conseguir alcanzar la neutralidad de carbono para el año 2050. En este contexto, algunos de los distintos enfoques adoptados para conseguir la reducción de emisiones de CO2 son: (i) reducir la dependencia de los combustibles fósiles mediante el uso de fuentes de energía renovables; y (ii) promover la captura, uso y almacenamiento de CO2 (CCUS), entre otros. Tras la captura del CO2 hay procesos sostenibles como la electrorreducción, para la obtención de productos de alto valor añadido, aprovechando el CO2 como materia prima. Actualmente la electrorreducción es el proceso con mayor potencial económico y uno de los más cercanos a su futura implantación industrial. En este contexto, el proceso de electrorreducción de CO2 en una celda electroquímica de tipo filtro prensa para la producción de formiato ha sido ampliamente estudiado en el grupo de investigación DePRO del Departamento de Ingenierías Química y Biomolecular de la Universidad de Cantabria. En todos los estudios realizados hasta la fecha, se ha utilizado una celda de tipo filtro prensa y los elementos que la componen que son claves en el proceso de electrorreducción, y que hasta el momento son comerciales de la casa comercial ElectroCell e idénticos en todos los ensayos experimentales como los distribuidores de flujo. En este contexto, el propósito del presente Trabajo Fin de Máster (TFM) es el diseño de distintos distribuidores de flujo para aumentar la eficiencia del proceso de electrorreducción de CO2 a formiato y abaratar costes respecto a los modelos comerciales que son los usados en la actualidad. Para la discusión de los resultados se evaluaron diferentes parámetros, como la concentración de formiato obtenido, la Eficiencia Faradaica, la velocidad de producción del formiato y el consumo energético para cada uno de los cincos distribuidores diseñados respecto al distribuidor comercial, y se realizó una simulación por fluidodinámica computacional (CFD). El distribuidor óptimo tuvo resultados de una concentración de formiato de 2.0 g.L-1 a una densidad de corriente de 90 mA.cm-2 y 4.2 g.L-1 a una densidad de corriente de 200 mA.cm-2 , un 40% superior de los demás distribuidores. Además, tuvo una eficiencia Faradaica del 90%, lo que permitió realizar una comparación tanto de resultados experimentales como de costes económicos con el distribuidor comercial. La velocidad de producción del formiato es directamente proporcional a la concentración, y el consumo energético fue de 259.1 kWh.kmol-1 a una densidad de corriente de 90 mA.cm-2 y 388.4 kWh.kmol-1 a una densidad de corriente de 200 mA.cm-2. Tras los prometedores resultados, es necesario continuar la investigación sobre la mejora del distribuidor óptimo y llevar a cabo su implantación en los procesos de electrorreducción de CO2 con el fin de sustituir al distribuidor de flujo comercial, debido a la mejora de rendimiento observado

Carbon dioxide (CO2) is one of the greenhouse gases responsible for climate change, leading to extreme weather events such as forest fires, floods, droughts, and storms. As a part of the strategy for mitigating climate change, one of the agreements reached at the latest United Nations conference (COP28) in the United Arab Emirates is to achieve carbon neutrality by 2050. In this context, various approaches have been adopted to reduce CO2 emissions, including reducing dependence on fossil fuels by using renewable energy sourcesand promoting CO2 capture, use and storage (CCUS), among others. After CO2 capture, sustainable processes such as electroreduction can be employed to obtain high value-added products using CO2 as a raw material. Electroreduction currently holds the greatest economic potential and is one of the processes closest to future industrial implementation. In this regard, the CO2 electroreduction process in a filter press electrochemical cell to produce formate has been extensively studied by the DePRO research group at the Department of Chemical and Biomolecular Engineering of the University of Cantabria. In all studies conducted to date, a filter press cell has been used, and key elements in the electroreduction process, , such as the flow distributors, commercially available from ElectroCell, have been employed in all the experimental trials. The objective of this Master's Thesis (TFM) is to different flow distributors to enhance the efficiency of the CO2 electroreduction process to formate and reduce costs compared to the current commercial models. Various parameters were evaluated for discussing the results, including the concentration of formate obtained, Faradaic Efficiency, formate production rate, and energy consumption for each designed distributor and a computational fluid dynamics (CFD) simulation was performed. The optimal distributor achieved a formate concentration of 2.0 g.L-1 at a current density of 90 mA.cm-2 and 4.2 g.L-1 at a current density of 200 mA.cm-2 , which is 40% higher than other distributors. Additionally, it exhibited a Faradaic efficiency of 90%, enabling a comparison of experimental results and economic costs with the commercial distributor. The formate production rate is directly proportional to the concentration, and the energy consumption was 259.1 kWh.kmol-1 at a current density of 90 mA.cm-2 and 388.4 kWh.kmol-1 at a current density of 200 mA.cm-2. Following these promising results, further research is necessary to improve the optimal distributor and implement it in CO2 electroreduction processes to replace the commercial flow distributor, owing to the observed performance improvement.