Análisis exergético de la pirólisis de gas natural como estrategia de descarbonización para la producción de hidrógeno de bajas emisiones

Abstract

En este estudio se llevó a cabo un análisis exergético de un proceso de producción de hidrógeno de bajas emisiones mediante la pirólisis térmica de gas natural. El sistema fue modelado en Aspen Plus con una capacidad de 2.6 y 6.3 toneladas por día de hidrógeno y negro de humo (carbon black), respectivamente. La energía requerida por el proceso se suministra mediante la combustión del 22% del negro de humo producido y de los gases residuales de la pirólisis después de la separación del hidrógeno.

Los resultados revelaron que la eficiencia exergética global alcanza un 89.4% cuando se consideran el hidrógeno y el negro de humo como productos valiosos, pero disminuye al 52.5% si solo se considera el hidrógeno. Esto evidencia la importancia de valorizar el negro de humo, el cual tiene aplicaciones en la fabricación de neumáticos, componentes eléctricos, tintas de impresión, recubrimientos de alto rendimiento y plásticos. Las mayores destrucciones de exergía se localizaron en el reactor de pirólisis y en el combustor.

El proceso genera 3.15 kg CO₂/kg H₂, significativamente menos que el reformado de metano con vapor (9–12 kg CO₂/kg H₂) [2], lo cual califica al hidrógeno como de bajas emisiones de acuerdo con los estándares de Estados Unidos y Canadá. Estos hallazgos posicionan la pirólisis térmica de gas natural como una alternativa prometedora para la producción sostenible de hidrógeno y como una estrategia para la remoción de carbono si el proceso es alimentado con gas natural de origen renovable. (Texto tomado de la fuente)

This study presents an exergy analysis of a low emission hydrogen production process based on the thermal pyrolysis of natural gas. The system was modeled in Aspen Plus with a production capacity of 2.6 and 6.3 tonnes per day of hydrogen and carbon black, respectively. The energy required by the process is supplied through the combustion of 22% of the produced carbon black and the residual gases from pyrolysis.

The results revealed that the overall exergetic efficiency reaches 89.4% when both hydrogen and carbon black are considered valuable products, but decreases to 52.5% when only hydrogen is considered. This highlights the importance of valorizing carbon black to improve both the exergetic efficiency and the economic viability of the system. Carbon black has established applications in the production of tires, electrical components, printing inks, high-performance coatings, and plastics. The largest exergy destruction occurred in the pyrolysis reactor and the combustor.

The process generates approximately 3.15 kg CO₂/kg H₂, significantly lower than the 9–12 kg CO₂/kg H₂ typically emitted by conventional steam methane reforming (SMR). These low emissions qualify the hydrogen produced as low carbon under U.S. and Canadian standards. These findings position thermal natural gas pyrolysis as a promising alternative for sustainable hydrogen production and as a potential carbon removal strategy when fueled with renewable natural gas.