Línies de recerca

Generalment, el procés de reformació amb vapor (steam reforming) implica dues reaccions: la descomposició dels hidrocarburs/alcohols amb vapor d'aigua per produir hidrogen (1) i la posterior reacció del monòxid de carboni amb aigua (water gas shift, WGS>) (2). Atès que els hidrocarburs/alcohols emprats provenen d'origen vegetal, el cicle de CO2 es pot considerar neutre, ja que, els vegetals tornaran a fixar aquest CO2 per produir més substrats. Altres processos són l'oxidació parcial i la reformació seca amb CO2, que ajuda a la descarbonització (3).

1. CnHm + nH2  -->  nCO + (n+m/2)H2

2. CO + H2O  --> CO2 + H2

3. CH4 + CO2 --> 2CO + 2H2

• Disseny, proves experimentals i caracterització de nous catalitzadors i reactors catalítics per aplicacions industrials.

• Producció i separació simultània d'hidrogen amb reactors catalítics de membrana.

• Modelització, anàlisi i optimització CFD (DNS, LES, RANS), desenvolupament d'eines computacionals high fidelity, tècniques de modelatge d'ordre reduït (reduced-order modelling) i estratègies de Data Science.

• Operació i control del reformador.

Electròlisi (electrocatàlisi)

L'aigua es descompon en H2 i O2 mitjançant l'aplicació de corrent elèctric a la cel·la electroquímica.

• Optimització del disseny de cel·la partint d'estudis de conducció, fluxos en medis porosos i difusió d'espècies. Avaluació de la transferència de calor i pèrdua de càrrega en els fenòmens de canvi de fase.

• Operació i control de l'electrolitzador.

• Desenvolupament i testeig de sistemes: piles, electròdes (pols metàl·lica, pols ceràmica i recobriments), electròlits ceràmics i interconnectors. 

Termòlisi

Aquest procés, també anomenat cicles termoquímics (thermochemical cycles, thermochemical looping) es basa en sèries de reaccions químiques consecutives on la suma total dona com a resultat la separació de l'aigua en H2 i O2, on la màxima temperatura de treball ha de ser inferior a la que requeriríem per descompondre l'aigua mitjançant exclusivament temperatura.

• Optimització del disseny del dispositiu en base a l'estudi de conducció, convecció i radiació en els receptors. Estudi dels fenòmens de transferència de calor i de massa en els sòlids, en els medis porosos i en les reaccions cinètiques.

• Anàlisis termodinàmiques de diferents processos amb diverses configuracions de reactors químics mitjançant catalitzadors no estructurats i estructurats.

• Desenvolupament de catalitzadors.

Fotocatàlisi

Es basa en el trencament de molècules d'aigua mitjançant l'acció d'un fotocatalitzador, que accelera la reacció química quan s'irradia amb llum d'una determinada longitud d'ona.

• Disseny, proves experimentals, desenvolupament i caracterització de nous fotocatalitzadors per aplicacions industrials en continu utilitzant fotoreactors per a reaccions fotocatalítiques sòlid-gas.

Fotoelectrocatàlisi

Es basa en la combinació de l'electròlisi i la fotocatàlisi per a la preparació de fotoelèctrodes que, idealment, puguin portar a terme la producció d'O2 i H2 a partir de molècules d'aigua aplicant un potencial molt inferior que els aplicats en l'electròlisi convencional, gràcies a la utilització de fotoànodes i/o fotocàtodes.

• Síntesi de nous materials semiconductors que poden ser emprats com a fotoelèctrodes.

Descomposició d'amoníac

L'amoníac es presenta com una opció interessant per emmagatzemar H2, ja que és un compost químic que liqua a baixa pressió i té un elevat contingut d'hidrogen.

• Disseny, proves experimentals, desenvolupament i caracterització de nous catalitzadors per aplicacions industrials i reactors estructurats.

Hidrogen comprimit

• Anàlisi i simulació dels processos de càrrega i descàrrega a altes pressions

• Estudi de la transferència de calor i de massa en els processos de càrrega i descàrrega

• Modelització, anàlisi i optimització CFD (DNS, LES, RANS), desenvolupament d'eines computacionals high fidelity, tècniques de modelatge d'ordre reduït (reduced-order modelling) i estratègies de Data Science.

• Anàlisi comparativa amb altres mètodes d'emmagatzematge.

• Desenvolupament dels materials i de la conformació dels cilindres a pressió (Pressurised cylinder). 

Emmagatzematge en hidrurs metàl·lics

• Estudi de les reaccions d'adsorció superficial entre l'hidrogen i els elements sòlids que serveixen d'acumuladors. Transferència de calor i de massa.

• Estudi de l'absorció d'hidrogen en hidrurs metàl·lics. Estudi d'altres processos d'absorció volumètrica entre l'hidrogen i altres materials que serveixen d'acumuladors.

• Formulació i anàlisi de models matemàtics d'ordre reduït per a processos de captura d'hidrogen en hidrurs metàl·lics i el seu ús per a l'optimització del procés de millora i del disseny.

Liqüefacció a molt baixes temperatures

• Estudis comparatius i optimització del disseny amb altres mètodes d'emmagatzematge.

• Desenvolupament de dipòsits a pressió i dipòsits atmosfèrics.

Transport i distribució d'hidrogen a través de conductes

• Estudi de la degradació dels materials de canonades, bombes, etc.

• Desenvolupament de gasoductes d'acer (Steel pipeline).

Transport i distribució d'hidrogen per carretera

•  Desenvolupament dels sistemes d'emmagatzematge de dipòsits i remolcs de tub (Tube trailers).

Piles de combustible

• Optimització de la pila en base a estudis de transferència de calor per conducció, fluxos en medis porosos i difusió de les espècies. Estudi de conducció, convecció, reacció dels gasos i fenòmens de canvi de fase de l'aigua.

• Operació i control.

• Desenvolupament i testeig de piles de combustible i components (electròlits, electròdes i interconnectors).

Hidrogen com a font de calor

• Desenvolupament de projectes demostratius en la indústria siderúrgica, cimentera, alimentació, etc.

• Optimització i disseny de la cambra de combustió d'H2 a través dels fenòmens de transferència de calor i de massa en els processos de la combustió, models de simulació de la reacció de les espècies (front de flama, turbulència, flames mesclades i premesclades, etc.), en aplicacions domèstiques, industrial i transport.

Emissions de l'hidrogen com a combustible en motors de combustió

• Estudi de rendiments i emissions en la substitució de combustibles ordinaris per hidrogen.

• Control de la presència de NOX i la formació d'àcid nítric en els escapaments.

Hidrogen per a la producció de productes i combustibles sintètics

L'hidrogen és una matèria primera per a la producció de productes i combustibles químics sintètics. El més interessant és aplicar el concepte d'economia circular a aquests processos.

• Disseny de processos per a la generació de gas de síntesi.

• Desenvolupament de catalitzadors.

• Estudi de la metanació de CO2 i metanació a partir de syngas.

• Estudi de la generació de combustibles líquids com l'amoníac.

Convertidors DC/DC per piles de combustible i electrolitzadors i onduladors per integració a xarxa/funcionament en illa

• Disseny i construcció. Participació en pilots i demostradors.

• Modelització i control digital dels elements d'electrònica de potència.

• Fiabilitat i manteniment productiu.

Xarxes i microxarxes d'energia amb hidrogen i generació d'electricitat renovable

• Planificació, integració i disseny de les xarxes, topologia elèctrica i dimensionat dels elements a nivell de microxarxes.

• Planificació, integració i disseny de xarxes, topologia elèctrica i dimensionat dels elements nivell de TSO i DSO.

• Estudi de les particularitats de les fonts off-shore wind.

• Operació i control.

• Algorismes de gestió de la planificació en mercats de flexibilitat elèctrica de l'emmagatzematge amb hidrogen.

Vehicles amb pila de combustible

• Disseny del sistema de tracció. Disseny i control de motors i onduladors de tracció elèctrica.

• Disseny i control dels sistemes híbrids de tracció elèctrica.

• Desenvolupament de la màquina d'estats per a la coordinació dels diferents modes de conducció.

Integració de l'hidrogen amb el sector de l'aigua i els residus

• Estudi de la producció d'hidrogen blau en depuradores: Recuperació del metà del biogàs, upgrading i reformació.

• Estudi de l'electròlisi a partir de diferents tipus d'aigua (dessalinitzada, regenerada) i energies renovables.

• Estudi de nous processos de producció d'hidrogen a partir de residus.

Economia i sostenibilitat de l'hidrogen

• Optimització econòmica i ambiental dels sistemes d'energia amb hidrogen, considerant restriccions legals, de comportament del consum, i de previsió de generació.

Modelització dinàmica i estimació de paràmetres

• Obtenció de models dinàmics i simulació de sistemes d'energia amb generació, emmagatzematge i/o utilització d'hidrogen. Utilització de models basats en lleis físiques (lineals o no-lineals), models “data-driven” i combinacions.

• Identificació i estimació de paràmetres en línia i fora de línia per a sistemes d'hidrogen (electrolitzadors, reformadors, piles de combustible, sistemes d'emmagatzematge d'hidrogen).

Diagnosi i prognosi

• Disseny de sistemes de diagnosi de fallades, sistemes que determinin l'estat de salut i sistemes de prognosi.

• Disseny d'experiments i caracterització experimental.

Sistema de control per a electrolitzadors, reformadors i piles de combustible

• Disseny i implementació de controladors.

Gestió òptima d'energia en sistemes híbrids i xarxes d'energia amb hidrogen

• Disseny d'algorismes per a la gestió òptima dels recursos, considerant costos i emissions.

• Predicció (generació, consums) i detecció (ubicació de faltes, pèrdues) en sistemes elèctrics basada en Machine Learning.

Monitoratge

• Creació de digital twins amb eines d'intel·ligència artificial.

• Creació de SCADAs per a sistemes i xarxes d'hidrogen.