Biomass Potential for Producing Power via Green Hydrogen

Abstract

Hydrogen (H2) has become an important energy vector for mitigating the effects of climate change since it can be obtained from renewable sources and can be fed to fuel cells for producing power. Bioethanol can become a green H2 source via Ethanol Steam Reforming (ESR) but several variables influence the power production in the fuel cell. Herein, we explored and optimized the main variables that affect this power production. The process includes biomass fermentation, bioethanol purification, H2 production via ESR, syngas cleaning by a CO-removal reactor, and power production in a high temperature proton exchange membrane fuel cell (HT-PEMFC). Among the explored variables, the steam-to-ethanol molar ratio (S/E) employed in the ESR has the strongest influence on power production, process efficiency, and energy consumption. This effect is followed by other variables such as the inlet ethanol concentration and the ESR temperature. Although the CO-removal reactor did not show a significant effect on power production, it is key to increase the voltage on the fuel cell and consequently the power production. Optimization was carried out by the response surface methodology (RSM) and showed a maximum power of 0.07 kWh kg−1 of bioethanol with an efficiency of 17%, when ESR temperature is 700 °C. These values can be reached from different bioethanol sources as the S/E and CO-removal temperature are changed accordingly with the inlet ethanol concentration. Because there is a linear correlation between S/E and ethanol concentration, it is possible to select a proper S/E and CO-removal temperature to maximize the power generation in the HT-PEMFC via ESR. This study serves as a starting point to diversify the sources for producing H2 and moving towards a H2-economy.

El hidrógeno (H2) se ha convertido en un vector energético importante para mitigar los efectos del cambio climático, ya que puede obtenerse de fuentes renovables y puede alimentarse a las celdas de combustible para producir energía. El bioetanol puede convertirse en una fuente de H2 verde a través del reformado con vapor de etanol (ESR), pero varias variables influyen en la producción de energía en la celda de combustible. Aquí, exploramos y optimizamos las principales variables que afectan esta producción de energía. El proceso incluye la fermentación de biomasa, la purificación de bioetanol, la producción de H2 a través de ESR, la limpieza de gas de síntesis mediante un reactor de eliminación de CO y la producción de energía en una celda de combustible de membrana de intercambio de protones de alta temperatura (HT-PEMFC). Entre las variables exploradas, la relación molar de vapor a etanol (S/E) empleada en la ESR tiene la mayor influencia en la producción de energía, la eficiencia del proceso y el consumo de energía. Este efecto es seguido por otras variables como la concentración de etanol de entrada y la temperatura de ESR. Aunque el reactor de eliminación de CO no mostró un efecto significativo en la producción de energía, es clave aumentar el voltaje en la celda de combustible y, en consecuencia, la producción de energía. La optimización se realizó mediante la metodología de superficie de respuesta (RSM) y mostró una potencia máxima de 0,07 kWh kg−1 de bioetanol con una eficiencia del 17%, cuando la temperatura de ESR es de 700 °C. Estos valores se pueden alcanzar a partir de diferentes fuentes de bioetanol, ya que la temperatura de eliminación de S/E y CO se modifica de acuerdo con la concentración de etanol de entrada. Debido a que existe una correlación lineal entre S/E y la concentración de etanol, es posible seleccionar una S/E adecuada y la temperatura de eliminación de CO para maximizar la generación de energía en HT-PEMFC a través de ESR. Este estudio sirve como punto de partida para diversificar las fuentes de producción de H2 y avanzar hacia una economía de H2.