This Thesis is driven by the need to explore complementary solutions alongside renewable energy to help mitigate the impacts of global warming resulting from increasing CO2 emissions. It develops along two objectives. The first objective aims to contribute to reducing CO2 emissions in sectors where implementing photovoltaics (PV) is difficult. To address this, the Thesis explores the optimization of green H2 production systems powered by renewable energy sources through electrolysis. The second targets the reduction of atmospheric CO2 that has already been emitted. Here, the Thesis evaluates experimentally a direct air capture (DAC) system capable of extracting CO2 from the atmosphere. This objective is extended to include the conversion of the captured CO2 into formic acid, a value-added fuel, reinforcing the rationale for atmospheric CO2 capture.
The work related to the green H2 production technology is focused on the study of the interconnection between the PV generation and electrolyzer stages. For that purpose, three coupling strategies between PV systems and the electrolyzer are analysed: direct, indirect, and indirect with battery storage. In the direct coupling, the electrical terminals of the PV system are connected directly to the input terminals of the electrolyzer, while the indirect coupling incorporates a power stage between PV and electrolyzer. The indirect configuration outperforms the direct one, showing greater reliance to atmospheric variability and suboptimal PV generator performance. The inclusion of a battery further enhances the techno-economic performance, delivering the highest annual H2 output, the best overall efficiency, the highest share of energy allocated to H2 production, and the greatest overall profitability throughout the lifespan of the electrolyzer.
Regarding the reduction of atmospheric CO2, an experimental DAC method using diamine is assessed. Diamine reacts with CO2 to form an insoluble carbamic acid (CA1), thus capturing it. Heating this CA1 compound releases the CO2, which can then be concentrated. This method achieves experimental capture efficiencies of up to 95%. A thermodynamic analysis based on this DAC method is also conducted to compare the theoretical minimum energy consumption, also determined in this Thesis, with the actual energy demand of the process.
To utilize the captured CO2, a three-chamber electrolyzer is implemented for formic acid production, based on a commercial prototype. The choice of formic acid is supported by market research, which considers the production of several carbon-based potential compounds. This analysis considers factors such as production profitability, energy requirements, market size, and ease of handling of the different candidate products. The Thesis also includes the design and fabrication of most electrolyzer components, except for the cathode v and both anodic and cathodic membranes. The electrolyzer is assembled to ensure operational readiness, followed by its electrical characterization and an analysis of the compounds generated during operation.
RESUMEN
Esta Tesis surge de la necesidad de explorar soluciones complementarias al uso de energías renovables para mitigar los efectos del calentamiento global derivados del aumento de las emisiones de CO2. El trabajo se articula en torno a dos objetivos. El primero busca contribuir a la reducción de emisiones de CO2 en sectores donde la implementación de sistemas fotovoltaicos (PV) resulta complicada. Para ello, la Tesis estudia la optimización de sistemas de producción de H2 verde alimentados por fuentes de energía renovable mediante electrólisis. El segundo objetivo se centra en la reducción del CO2 atmosférico que ya ha sido emitido. En este caso, la Tesis evalúa experimentalmente un sistema de captura directa del aire (DAC) capaz de extraer CO2 de la atmósfera. Este objetivo se amplía con la conversión del CO2 capturado en ácido fórmico, un combustible de valor añadido, lo que refuerza la justificación de su captura.
El trabajo relacionado con la tecnología de producción de H2 verde se enfoca en el estudio de la interconexión entre la generación fotovoltaica y la etapa del electrolizador. Para ello, se analizan tres estrategias de acoplamiento entre los sistemas PV y el electrolizador: directa, indirecta e indirecta con almacenamiento en baterías. En el acoplamiento directo, los terminales eléctricos del sistema PV se conectan directamente a las bornas de entrada del electrolizador, mientras que el acoplamiento indirecto incorpora una etapa de potencia entre ambos. La configuración indirecta supera a la directa, mostrando una mayor resiliencia frente a la variabilidad atmosférica y al rendimiento subóptimo del generador fotovoltaico. La inclusión de una batería mejora aún más el desempeño tecno económico, proporcionando la mayor producción anual de H2, la mejor eficiencia global, la mayor proporción de energía destinada a la producción de H2 y la máxima rentabilidad a lo largo de la vida útil del electrolizador.
Con respecto a la reducción del CO2 atmosférico, se evalúa un método experimental de DAC que emplea diamina. Esta reacciona con el CO2 formando un ácido carbámico (CA1) insoluble, lo que permite su captura. Al calentar este compuesto CA1, el CO2 es liberado y puede concentrarse. Este método experimental alcanza eficiencias de captura de hasta un 95%. También se realiza un análisis termodinámico basado en este método DAC para comparar el consumo mínimo teórico de energía, también determinado en esta Tesis, con la demanda energética real del proceso.
Para dar uso al CO2 capturado, se implementa un electrolizador de tres cámaras para la producción de ácido fórmico basado en un prototipo comercial. La elección del ácido fórmico está respaldada por un estudio de mercado que considera la producción de varios compuestos potenciales basados en carbono. Este análisis toma en cuenta factores como la vii rentabilidad de producción, los requerimientos energéticos, el tamaño del mercado y la facilidad de manejo de los diferentes productos candidatos. La Tesis también incluye el diseño y la fabricación de la mayoría de los componentes del electrolizador, con excepción del cátodo y de las membranas anódica y catódica. El electrolizador se ensambla para garantizar su operatividad, seguido de su caracterización eléctrica y del análisis de los compuestos generados durante su funcionamiento.
This Thesis is driven by the need to explore complementary solutions alongside renewable energy to help mitigate the impacts of global warming resulting from increasing CO2 emissions. It develops along two objectives. The first objective aims to contribute to reducing CO2 emissions in sectors where implementing photovoltaics (PV) is difficult. To address this, the Thesis explores the optimization of green H2 production systems powered by renewable energy sources through electrolysis. The second targets the reduction of atmospheric CO2 that has already been emitted. Here, the Thesis evaluates experimentally a direct air capture (DAC) system capable of extracting CO2 from the atmosphere. This objective is extended to include the conversion of the captured CO2 into formic acid, a value-added fuel, reinforcing the rationale for atmospheric CO2 capture.
The work related to the green H2 production technology is focused on the study of the interconnection between the PV generation and electrolyzer stages. For that purpose, three coupling strategies between PV systems and the electrolyzer are analysed: direct, indirect, and indirect with battery storage. In the direct coupling, the electrical terminals of the PV system are connected directly to the input terminals of the electrolyzer, while the indirect coupling incorporates a power stage between PV and electrolyzer. The indirect configuration outperforms the direct one, showing greater reliance to atmospheric variability and suboptimal PV generator performance. The inclusion of a battery further enhances the techno-economic performance, delivering the highest annual H2 output, the best overall efficiency, the highest share of energy allocated to H2 production, and the greatest overall profitability throughout the lifespan of the electrolyzer.
Regarding the reduction of atmospheric CO2, an experimental DAC method using diamine is assessed. Diamine reacts with CO2 to form an insoluble carbamic acid (CA1), thus capturing it. Heating this CA1 compound releases the CO2, which can then be concentrated. This method achieves experimental capture efficiencies of up to 95%. A thermodynamic analysis based on this DAC method is also conducted to compare the theoretical minimum energy consumption, also determined in this Thesis, with the actual energy demand of the process.
To utilize the captured CO2, a three-chamber electrolyzer is implemented for formic acid production, based on a commercial prototype. The choice of formic acid is supported by market research, which considers the production of several carbon-based potential compounds. This analysis considers factors such as production profitability, energy requirements, market size, and ease of handling of the different candidate products. The Thesis also includes the design and fabrication of most electrolyzer components, except for the cathode v and both anodic and cathodic membranes. The electrolyzer is assembled to ensure operational readiness, followed by its electrical characterization and an analysis of the compounds generated during operation.
RESUMEN
Esta Tesis surge de la necesidad de explorar soluciones complementarias al uso de energías renovables para mitigar los efectos del calentamiento global derivados del aumento de las emisiones de CO2. El trabajo se articula en torno a dos objetivos. El primero busca contribuir a la reducción de emisiones de CO2 en sectores donde la implementación de sistemas fotovoltaicos (PV) resulta complicada. Para ello, la Tesis estudia la optimización de sistemas de producción de H2 verde alimentados por fuentes de energía renovable mediante electrólisis. El segundo objetivo se centra en la reducción del CO2 atmosférico que ya ha sido emitido. En este caso, la Tesis evalúa experimentalmente un sistema de captura directa del aire (DAC) capaz de extraer CO2 de la atmósfera. Este objetivo se amplía con la conversión del CO2 capturado en ácido fórmico, un combustible de valor añadido, lo que refuerza la justificación de su captura.
El trabajo relacionado con la tecnología de producción de H2 verde se enfoca en el estudio de la interconexión entre la generación fotovoltaica y la etapa del electrolizador. Para ello, se analizan tres estrategias de acoplamiento entre los sistemas PV y el electrolizador: directa, indirecta e indirecta con almacenamiento en baterías. En el acoplamiento directo, los terminales eléctricos del sistema PV se conectan directamente a las bornas de entrada del electrolizador, mientras que el acoplamiento indirecto incorpora una etapa de potencia entre ambos. La configuración indirecta supera a la directa, mostrando una mayor resiliencia frente a la variabilidad atmosférica y al rendimiento subóptimo del generador fotovoltaico. La inclusión de una batería mejora aún más el desempeño tecno económico, proporcionando la mayor producción anual de H2, la mejor eficiencia global, la mayor proporción de energía destinada a la producción de H2 y la máxima rentabilidad a lo largo de la vida útil del electrolizador.
Con respecto a la reducción del CO2 atmosférico, se evalúa un método experimental de DAC que emplea diamina. Esta reacciona con el CO2 formando un ácido carbámico (CA1) insoluble, lo que permite su captura. Al calentar este compuesto CA1, el CO2 es liberado y puede concentrarse. Este método experimental alcanza eficiencias de captura de hasta un 95%. También se realiza un análisis termodinámico basado en este método DAC para comparar el consumo mínimo teórico de energía, también determinado en esta Tesis, con la demanda energética real del proceso.
Para dar uso al CO2 capturado, se implementa un electrolizador de tres cámaras para la producción de ácido fórmico basado en un prototipo comercial. La elección del ácido fórmico está respaldada por un estudio de mercado que considera la producción de varios compuestos potenciales basados en carbono. Este análisis toma en cuenta factores como la vii rentabilidad de producción, los requerimientos energéticos, el tamaño del mercado y la facilidad de manejo de los diferentes productos candidatos. La Tesis también incluye el diseño y la fabricación de la mayoría de los componentes del electrolizador, con excepción del cátodo y de las membranas anódica y catódica. El electrolizador se ensambla para garantizar su operatividad, seguido de su caracterización eléctrica y del análisis de los compuestos generados durante su funcionamiento. Read More
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