En
la actualidad existen varios métodos mediante los cuales se ha hecho posible la
producción de hidrógeno, dichos métodos requieren la separación del hidrógeno
de otros elementos químicos como lo es el oxígeno en el caso del agua o el carbono en los distintos hidrocarburos.
Generalmente
el hidrógeno es extraído de los
hidrocarburos, es decir de combustibles fósiles mediante procesos químicos, por
otro lado se ha escuchado mucho acerca de la obtención de hidrógeno mediante
biorreactores de algas, o haciendo uso de electricidad, lo que tiene que ver
con la electrolisis del agua, también puede obtenerse hidrógeno por reducción
química o por termólisis. Sin embargo se ha considerado que el método más
desarrollado tiene que ver con la generación de hidrógeno a partir de
hidrocarburos, debido a la baja emisión de dióxido de carbono que genera este
proceso reduciéndose así la contaminación ambiental.
En
los últimos años se ha hecho alusión a esta producción masiva de hidrógeno
mediante diversos métodos, refiriéndose a la ¨Economía de Hidrógeno¨.
En
el presente trabajo se realizará una descripción del proceso mediante el cual
se puede producir hidrógeno, los materiales y el estado actual de distintos
proyectos, para posteriormente analizar la eficiencia del proceso y nuevas
alternativas.
1. Producción de Hidrógeno:
Existen
varias fuentes de producción de hidrógeno, desde combustibles fósiles como gas
natural o carbón o fuentes energía renovable como la solar, eólica,
hidroeléctrica y biomasa. Por otra parte se distinguen una serie de procesos
tecnológicos que se utilizan en la producción de hidrógeno, pueden ser procesos
químicos, biológicos, electrolíticos, fotolíticos o termoquímicos, cada tecnología con un distinto grado de
desarrollo y diferentes oportunidades, materiales y beneficios.
1.1 Producción
de Hidrógeno a partir de combustibles fósiles (gas natural o carbón):
El
95% de hidrógeno de Estados Unidos es producido, a partir del gas natural,
pienso que este método por ende no puede ser omitido o despreciado.
Básicamente el proceso consiste en
obtener energía ¨limpia¨ a partir de energía ¨sucia, pero esto no esta
resolviendo ningún problema de contaminación.
El
proceso es conocido como reformación del vapor de metano, en este proceso las altas temperaturas y presiones
rompen el hidrocarburo en hidrógeno y óxidos de carbono; incluyéndose también
el CO2, que obviamente es liberado a la atmósfera. A corto plazo, los combustibles fósiles
continuarán como la principal fuente generadora de hidrógeno.
Ahora
en este proceso como se mencionó, se libera CO2, entonces capturar y almacenar
este dióxido bajo el suelo haría que el proceso no tenga un grave impacto
medioambiental.
El
problema de este proceso consiste en que como todos sabemos el gas natural es
un recurso limitado, entonces el costo del hidrógeno dependerá de las
fluctuaciones del mercado.
1.1.1
Gas Natural:
El hidrógeno puede ser
producido a partir del gas natural mediante: reformado de vapor, oxidación
parcial y reformado autotérmico.
El reformado de vapor
es una conversión endotérmica de metano y vapor de agua en hidrógeno y CO. Este
calor es a menudo aportado por la combustión de parte de la alimentación de
metano gas. El proceso típico ocurre a 700-850 ºC.
El producto gaseoso
contiene un 12% de CO, el cual puede ser convertido más tarde en CO2
y H2 a través de la reacción con vapor de agua.
La oxidación parcial de gas natural es un
proceso por el cual se produce hidrógeno por la combustión parcial de metano
con oxígeno para producir CO, carbón e hidrógeno
Es una reacción
exotérmica con lo cual se produce calor. No es necesario un aporte externo de
calor, con lo que el diseño puede ser más compacto. El CO puede convertirse en
CO2 y H2 como en el apartado anterior.
Por otro lado el reformado autotérmico es una
combinación de los dos apartados anteriores. La reacción total es exotérmica,
con lo cual se desprende calor. La temperatura en el reactor es de 950-1100 ºC
y la presión por encima de los 100 barimetros. Como antes, se puede producir H2
a partir del CO producido. La necesidad de purificar los gases supone un coste
adicional para la planta y reduce la eficiencia.
1.1.2
Carbón:
Se puede producir
hidrógeno a partir de carbón a través de una variedad de procesos de
gasificación. La conversión del carbón en gas se ve favorecida a altas
temperaturas.
De nuevo, el CO se puede convertir en CO2
y H2. El hidrógeno producido a partir de carbón es comercialmente
viable, pero es más complicado que a través de gas natural.
1.2 Producción
de Hidrógeno por Electrólisis:
La
mayor parte del restante hidrógeno es producido mediante la separación de los
elementos básicos del agua: oxígeno e hidrógeno.
En
el 2006 la prestigiosa revista Popular Mechanics otorgó un premio a Richard
Bourgeois de General Electric, por su asombroso diseño de un electrolizador que reduce el costo del
proceso de electrólisis.
Pienso
que se debería lograr que la electrólisis se convierta en una fuente
predominante generadora de hidrógeno, evitando así emisiones de carbono en
absoluto.
Si bien conocemos, la electrólisis del agua es un proceso en el cual el
agua se rompe en hidrógeno y oxígeno a través de la aplicación de la energía
eléctrica.
La energía total que se necesita para la electrólisis del agua aumenta lentamente con la temperatura,
mientras que la energía eléctrica requerida disminuye. La electrolisis a alta
temperaturas es posible cuando se dispone de una cantidad alta de calor,
procedente del rechazo de otro proceso.
La electrolisis utiliza una disolución alcalina de KOH como un electrolito
que circula por la celda electrolítica. Se utiliza para aplicaciones estáticas
y se puede operar a unos 25 bares. Es una tecnología viable con muchas
aplicaciones industriales.
Los electrolizadores comerciales consisten en un número de celdas
electrolíticas unidas a una celda fija. Se está buscando el diseño de
electrolizadores de un menor coste y con mayor eficiencia energética.
En
todo lo que tuve la oportunidad de leer acerca de electrólisis, pienso que la
mejor explicación la da Alex Hutchinson, quien forma parte de la NASA. El
hidrógeno es el átomo más simple del universo, un solo electrón orbita
alrededor de un solo protón. En una celda de combustible, el hidrógeno en forma
de gas es separado por un catalizador en el ánodo en protones y electrones. Los
protones pasan directamente a través de la membrana de intercambio de protones
(MEP), mientas que los electrones son forzados a pasar a través de un circuito
externo, lo que hace que la corriente eléctrica fluya. Cuando los protones y
los electrones se encuentran en el cátodo se unen con el oxígeno para formar
agua y calor, el cual se libera por un escape. Una sola celda de combustible
produce justo 1 voltio, por lo que se apilan cientos de ellas juntas en
aplicaciones típicas. Las celdas de combustible tipo MIP, usadas en las naves
Gemini de la NASA de la década de los sesenta, son el diseño seleccionado para
las celdas de combustible de los automóviles, pero se emplean otras configuraciones
para laptops y plantas generadoras. La electrólisis es exactamente el proceso
inverso. La electricidad proveniente de una fuente de energía separa el agua
entrante en protones, electrones y oxígeno, el cual es liberado en forma de
gas. Los electrones se vuelven a unir con los protones en el cátodo para
producir hidrógeno. Otros diseños desarrollados de procesos de electrólisis
utilizan membranas de óxido salino en lugar de MIP, las cuales mejoran la
eficiencia pero requieren temperaturas que sólo pueden ser provistas por
reactores nucleares.[1]
1.1 Producción
de Hidrógeno mediante energía nuclear:
Se
sabe que las plantas nucleares de la siguiente generación alcanzarán
temperaturas suficientemente altas para producir electricidad y también
hidrógeno. Este proceso se logra agregando vapor y calor al proceso de electrólisis, o por medio de la adición de
calor a una serie de reacciones químicas que separan el hidrógeno del agua.
Ahora
en este punto, hay un asunto muy importante y es la TECNOLOGÍA, ya que a pesar
de que todos estos procedimientos sean muy prometedores dentro del laboratorio,
esta tecnología obviamente no podrá ser probada sino hasta que estén
construidas las primeras plantas nucleares de cuarta generación, lo que se
estima sucederá alrededor del 2020.
2. Estado
actual:
Solamente
en Estados Unidos se utilizan alrededor de 10 millones de toneladas de
hidrógeno con propósitos industriales.
Se
debe tener en claro de que si lo que deseamos es que en las carreteras sea una norma el uso de
vehículos impulsados por hidrógeno, se necesitarán al menos diez veces la
cantidad de hidrógeno que se utiliza en Estados Unidos, obviamente esto debe
lograrse de una manera eficiente y ecológica.
Para
Joseph Romm, director ejecutivo del Centro para Soluciones Energéticas y Climáticas: ¨Como reductor de la cantidad de
dióxido de carbono, el hidrógeno es una basura¨, ya que en realidad no esta
resolviendo ningún problema ambiental simplemente su uso se ha convertido en
una alternativa más.
Por
otro lado En julio General Electric
junto con otras compañías, anunciaron sus planes para desarrollar y
construir 15 plantas generadoras de hidrógeno de gas natural con el fin de
producir electricidad; el CO2 será bombeado dentro de yacimientos petrolíferos
vacíos.
El
Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) patrocina un proyecto a 10
años y de 950 millones de dólares que consiste en la construcción de una planta
alimentada con carbón y que producirá hidrógeno para generar electricidad; de
la misma forma, el CO2 se almacenará para así lograr tener la primera
planta que utiliza combustibles fósiles
y no emite gases dañinos a la atmósfera.
3. Propuestas
y alternativas:
Científicos
alrededor del mundo buscan nuevas alternativas en cuanto a la producción de
Hidrógeno uno de los artículos que más llamo mi atención fue el del Instituto de Ciencias de Materiales
de Sevilla (ICMS) del CSIC, un proyecto coordinado
por Juan Pedro Holgado.
En el proyecto se ha obtenido catalizadores nano estructurados
de níquel, materiales capaces de transformar las moléculas de agua y de metano
en hidrógeno, lo que podría permitir su producción de manera masiva. Uno de los
retos a los que se enfrenta este grupo de expertos es conseguir que el proceso
de la producción de hidrógeno a partir de metano sea una alternativa factible y
respetuosa con el medio ambiente.
Según explica el coordinador, “necesitamos catalizadores no
sólo más efectivos sino que permitan la producción de hidrógeno a escala global
y de manera sostenida a lo largo del tiempo”. De esta manera, buscan una
alternativa para satisfacer la creciente demanda de este vector energético,
pues se espera que en un futuro participen también los vehículos, ocasionando
un aumento significativo de su consumo.
4. Eficiencia:
El
gobierno de Estados Unidos anunció en el 2003, una iniciativa para comenzar a
desarrollar una infraestructura nacional basada en el hidrógeno: una red de
instalaciones de costa a costa que producirían y distribuirían el hidrógeno a
millones de vehículos con celdas de este combustible. George Bush, entonces
presidente estadounidense declaró: ¨Nuestros científicos e ingenieros
superarán los obstáculos para hacer que
esos vehículos pasen de los laboratorios a las salas de exhibición, para que el
primer automóvil que conduzca un niño nacido hoy sea impulsado por hidrógeno,
libre de emisiones contaminantes¨. Pienso que esta declaración realizada por el
presidente es una prueba de la eficacia y la utilidad de los distintos procesos
de producción de hidrógeno.
Por
otro lado las promesas de una economía próspera basada en el hidrógeno, que
constituiría una poderosa fortaleza en el área automotriz, telefonía celular y
computadoras, aún no son tangibles. Cuando los combustibles se queman estos
liberan muchísimo CO2, contribuyendo de
esta manera al calentamiento global, como mencione en la introducción de este
trabajo, entonces podríamos pensar que el hidrógeno constituiría un sustituto
ideal para el combustible común que se encuentra destruyendo el medio ambiente,
y efectivamente lo es. Según la revista Popular Mechanics (2006) el hidrógeno contiene
tres veces más energía que el gas natural y a diferencia de otros combustibles
cuando este es consumido emite solamente agua.
Pienso
que el problema radica en recordar que el Hidrógeno no es un combustible,
caeríamos en un grave error si lo consideráramos como tal, el hidrógeno
constituye un medio que nos permite transportar y almacenar energía, pero nunca
será un combustible a diferencia del petróleo y el gas natural. Entonces el
hidrógeno obviamente necesita ser generado para poder ser utilizado y una gran
desventaja en cuanto a este proceso es el almacenamiento de este gas, que a
pesar de ser el más ligeros, es difícil de almacenar.
Para
David Garmin, secretario asistente de Energía en los Estados Unidos, es el hidrógeno el que podrá desligar por
completo al transporte del servicio ligero del petróleo. Los vehículos con
celdas de combustible recorren más de 480 kilómetros con aproximadamente 8
kilogramos de hidrógeno, pero la eficiencia de esto radica en superar varios
obstáculos enormes como lo son su producción, su almacenamiento, distribución y
uso.
En
fin, a largo plazo, una vez superados los obstáculos la economía del hidrógeno
podría convertirse en una de las más prósperas y útiles.
Fuentes:
1)
Anónimo. Producción de Hidrógeno. Recuperado de:
2)
Ojo Científico (2011). Producción de Hidrógeno. Recuperado de:
3)
Adams, M.W.W., and
Stiefel, E.I., (2000), "Bilogical Hydrogen Production: Not So
Elementary", 282 (5395):1842.
4)
Juergen,
E.W.P.,Benemann, J.R., Tanaka, A., Melis, A., (2000), Dependence on carbon
source", Planta, 211, 335-344.
5)
Ana M. (2009). Obtención y Almacenamiento de Hidrógeno. Recuperado de: http://www.google.com.ec/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CCgQFjAA&url=http%3A%2F%2Fjrguezs.webs.ull.es%2Ftecnologia%2Ftema5%2Ftrabajos_renovables%2Fhidrogeno.doc&ei=AOzDULTuEIXU9ASZ5ICwCw&usg=AFQjCNGmWQnVSDSLEtTye4arSTaSfoTidQ&sig2=QEEhtgmMhSBQcD4EDAAn8g.
6)
Instituto de Ciencias de Materiales de
Sevilla (2011). Nuevo método de
producción de Hidrógeno a Escala Global. Recuperado de:
http://www.agenciasinc.es/Noticias/Desarrollan-un-metodo-de-produccion-de-hidrogeno-a-escala-global-como-alternativa-a-los-combustibles-fosiles
7)
Popular Mechanics (2006) Ed. Continental
n56. La verdad acerca del Hidrógeno.
8)
Popular Mechanics (2008) Ed. Continental
n61. Celdas Combustibles.
[1]
Popular Mechanics (2008) Ed. Continental. Celdas
Combustibles. Alex Hutchinson.
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ResponderEliminarExcelente articulo!!! Me encanto.
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