Producción de hidrógeno mediante energía nuclear, un escenario sostenible en México

Simposio LAS/ANS 007 / 007 LAS/ANS Symposium XVIII Congreso Anual de la SNM / XVIII SNM Annual Meeting XXV Reunión Anual de la SMSR / XXV SMSR Annual Meeting Copatrocinado por la AMEE / Co-sponsored by AMEE Cancún, Quintana Roo, MÉXICO, del 1 al 5 de Julio 007 / Cancun, Quintana Roo, MEXICO, July 1-5, 007 Producción de hidrógeno mediante energía nuclear, un escenario sostenible en México Enrique Ortega Valencia *, Juan Luis François Lacouture Departamento de Sistemas Energéticos, Facultad de Ingeniería Universidad Nacional Autónoma de México Laboratorio de Análisis en Ingeniería de Reactores Nucleares Paseo Cuauhnáhuac 853, Jiutepec, Morelos iqoren@gmail.com; jlfl@fi-b.unam.mx Resumen La energía es un punto clave en el desarrollo social y económico de un país, por tal motivo asegurar el suministro energético en México es de vital importancia. El hidrógeno es sin duda alguna uno de los combustibles alternos más prometedores ante la visible necesidad de descentralizar la producción energética basada en hidrocarburos. La versatilidad de sus aplicaciones, su alto poder calorífico y el contar con el ciclo de combustible más limpio de la canasta energética con la que contamos actualmente, son sólo algunos ejemplos de su potencial de desarrollo. Sin embargo el elemento más abundante del universo no se encuentra en su forma elemental en nuestro planeta, forma moléculas como en los hidrocarburos ó agua- y para su utilización debe extraerse. En la actualidad se conocen diferentes métodos para la extracción de hidrógeno, hay térmicos, eléctricos, químicos, fotovoltaicos entre otros. La elección del método de extracción y la fuente de energía primaria para llevarla a cabo es decisiva para juzgar la sostenibilidad de la producción de hidrógeno. El desarrollo sostenible está definido como desarrollo que cubre las necesidades presentes sin comprometer la necesidad de cubrir las necesidades de las futuras generaciones, y en el marco de esta definición fueron evaluados cuatro indicadores del desarrollo sostenible de los diferentes ciclos de combustible en la producción de hidrógeno en México. Estos indicadores toman en consideración las emisiones de dióxido de carbono en la atmósfera (ambiente), la disponibilidad de los recursos energéticos (tecnología), los impactos en el uso de suelo (social) y los costos de producción de los ciclos (economía). En este trabajo se estudiaron los procesos actualmente disponibles para la generación de hidrógeno, los que utilizan carbón, gas natural, energía hidráulica, eólica, biomasa y nuclear, como fuentes de energía primarias. Estos procesos fueron evaluados con referencias energéticas de México para obtener la mejor alternativa para producción de hidrógeno. * Estudiante de la Maestría en Ingeniería en Energía. Memorias CIC Cancún 007 en CDROM 555 Proceedings IJM Cancun 007 on CDROM

1. INTRODUCCIÓN La centralización del uso de energía en reservas fósiles ha ocasionado diversos impactos ambientales y económicos a nivel mundial. La implementación de fuentes de energía alternas es una actividad inevitable ante la escasez de estos recursos. El alto poder calorífico, la eficiencia y la versatilidad en el uso del combustible, hacen del hidrógeno una fuente de energía alterna atractiva, muchos países ya lo utilizan como parte de su portafolio de combustibles. Sin embargo, la producción de este energético está sujeto a diversos factores, como el costo de la generación, la disposición de fuentes de energía primaria y la reducción de impactos ambientales asociados al ciclo del combustible. Estos factores tienen una vinculación muy estrecha a la definición del desarrollo sostenible. Por tal motivo la producción de hidrógeno en México es presentada en este trabajo desde el punto de vista de la evaluación del desarrollo sostenible del combustible. El desarrollo sostenible ha sido bien definido por la Comisión Brundtlan [1], como el desarrollo que cubre las necesidades presentes sin comprometer la habilidad de cubrir las necesidades de las futuras generaciones. De forma clara podemos visualizar los factores que se encuentran inmersos dentro de este concepto; el factor social es el más claro, porque obviamente nosotros somos el punto central; el factor ambiental, porque es indudable que un ambiente limpio es necesario para propiciar una buena condición de vida en el presente y para las futuras generaciones; el factor tecnológico que es indispensable para crear bienes y servicios a la sociedad, y el factor económico está reflejado porque una tecnología energética cara es inaccesible para la sociedad. Encontrar un punto armónico entre los factores social, ambiental, tecnológico y económico, permitirá un crecimiento equilibrado y sano.. CICLOS DE COMBUSTIBLE EN LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO El hidrógeno es un energético secundario y puede producirse por una gran variedad de métodos, cada uno de ellos se caracteriza por la fuente de energía primaria utilizada para obtenerlo. Dentro de las fuentes primarias están incluidos recursos fósiles como el gas natural y el carbón, también se incluyen fuentes renovables como la biomasa, la energía solar, la eólica, la hidráulica y la nuclear. Las tecnologías de producción también representan una gran cantidad de alternativas, existen procesos químicos, biológicos, electrolíticos, fotolíticos y termoquímicos. La elección del energético primario y la tecnología para producir hidrógeno están sujetas a parámetros como el costo del ciclo de combustible y las externalidades asociadas, como los impactos ambientales y sociales. A continuación, en la Figura 1 se ilustran las tecnologías utilizadas para producir hidrógeno. Memorias CIC Cancún 007 en CDROM 556 Proceedings IJM Cancún 007 on CDROM

Carbón Solar Gas Natural Biomasa Gasificación Reformación Separación de gas Nuclear P. Calor Termoquímicos Hidroeléctrica Eólica Generación directa Electricidad Electrólisis HIDROGENO Solar Fotovoltaica Nuclear Ciclo Rankine Solar Fotocatálisis Figura 1. Tecnologías para la producción de hidrógeno.1. Producción de Hidrógeno vía Solar-Fotovoltaico La producción de hidrógeno por medio de tecnología solar puede producirse por medio de dos métodos. La energía solar es convertida a electricidad en una celda fotovoltaica (PV) y el hidrógeno se genera por la electrólisis del agua. El método alterno se lleva a cabo en celdas fotoelectroquímicas que producen directamente hidrógeno. Aproximadamente el 85% de la tecnología comercial de celdas PV, están basados en silicón policristalino. Las otras celdas se basan en placas finas de cristales amorfos y compuestos del grupo II-IV y I-III-IV de la tabla periódica... Producción de Hidrógeno vía Carbón El hidrógeno puede producirse a través de carbón por medio de una gran cantidad de procesos de gasificación. Los procesos de alta temperatura son preferidos para maximizar la obtención del gas. A continuación se presenta una reacción típica de los procesos basados en carbón. C S + H + O + calor CO H ( ) Memorias CIC Cancún 007 en CDROM 557 Proceedings IJM Cancún 007 on CDROM

Debido a que esta reacción es endotérmica se requiere de calor adicional como en el proceso de reformación de metano. El CO es convertido a CO para aumentar la producción de hidrógeno y aumentar la eficiencia de conversión de carbón. A nivel comercial el proceso de gasificación de carbón es factible pero el proceso es más complejo que el proceso de reformación de gas natural. El proceso de captura de CO. El dióxido de carbono es un compuesto generado en los procesos energéticos de los combustibles fósiles. Para reducir la cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero y promover el uso de procesos sostenibles, el CO generado debe ser capturado y almacenado. Existen tres procesos de captura del CO, a continuación se describen brevemente. Post-combustión. El CO puede removerse del gas de combustión en una turbina convencional de gas CCGT (turbina de gas de ciclo combinado). Pre-combustión. El CO es capturado al momento de producirse hidrógeno. Oxicombustible-combustión. Quemando el combustible fósil para producir calor en una turbina de vapor convencional, para posteriormente separar el CO del vapor de agua..3. Producción de Hidrógeno vía Energía Eólica La producción de hidrógeno desde fuentes renovables es uno de los objetivos primordiales a largo plazo. El proceso consiste en generar electricidad por medio de una turbina de viento para llevar a cabo la electrólisis y extraer el hidrógeno del agua..4. Producción de Hidrógeno vía Energía Nuclear El hidrógeno puede obtenerse usando energía nuclear como fuente de energía primaria, por medio de fractura térmica de la molécula del agua, electrólisis o procesos termoquímicos, las tres alternativas son libres de emisiones de carbono. El proceso de fractura de la molécula de agua [] tiene una eficiencia de entre 40 y 60%, sin embargo la temperatura necesaria para este proceso es de 850 C; estas temperaturas son alcanzadas únicamente por los reactores de alta temperatura. Los LWR, mediante electrólisis, podrían competir con el proceso de reformación catalítica de gas natural con calor nuclear (NSMR); este sistema acoplado alcanza eficiencias de 30%..5. Producción de Hidrógeno vía Gas Natural A diferencia de otros hidrocarburos, el gas natural tiene una alta tasa en la relación C-H, es de fácil manejo y tiene un bajo costo de producción. El hidrógeno puede producirse desde gas natural por tres procesos químicos: Reformación de vapor (steam methane reforming- SMR) Oxidación parcial (POX) Reformación autotérmica (ATR) Memorias CIC Cancún 007 en CDROM 558 Proceedings IJM Cancún 007 on CDROM

La reformación de gas [] involucra una reacción endotérmica de conversión de metano y vapor de agua. Este proceso se lleva a cabo a temperaturas de 700 a 850 C y una presión de 3 a 5 bar. El producto contiene aproximadamente 1% de CO, que puede generar hidrógeno por medio de una reacción con agua. CH + 4 + H O + calor CO 3H CO H O CO + H + calor + La oxidación parcial de gas natural se lleva a cabo en condiciones oxidantes, obteniéndose hidrógeno y monóxido de carbono. En este proceso la reacción es exotérmica y el CO generado es convertido a hidrógeno. Las reacciones que se llevan a cabo son las siguientes: CH + 1 4 O CO + H + calor El proceso de autoreformado es una combinación de los dos procesos anteriores. La temperatura de salida del reactor debe ser de 950 a 1100 C y la presión del gas es de 100 bar aproximadamente..6. Producción de Hidrógeno vía Biomasa La energía solar es la fuente de energía primaria para la producción de hidrógeno por medio de la biomasa. Existen dos tipos de procesos, (1) los que utilizan bioenergía y () residuos como desechos orgánicos.7. Producción de Hidrógeno vía Energía Hidráulica La producción de hidrógeno por esta vía se lleva a cabo por electrólisis, en donde la electricidad utilizada proviene de una central hidroeléctrica. 3. PARMETROS A CONSIDERAR DE LAS TECNOLOGIAS PARA LA PRODUCCION DE HIDRÓGENO A continuación se describen los principales parámetros a considerar para la evaluación de las tecnologías de producción de hidrógeno, utilizados en este trabajo. 3.1. Emisión de Dióxido de Carbono a la Atmósfera desde los Sistemas Energéticos La protección del ambiente es uno de los principales aspectos a considerar en el desarrollo sostenible. Por esta razón, las emisiones de dióxido de carbono es un aspecto importante a considerar en las vías de producción de hidrógeno. A continuación, en la Tabla I, se muestran las Memorias CIC Cancún 007 en CDROM 559 Proceedings IJM Cancún 007 on CDROM

emisiones en kg de dióxido de carbono (kg CO ) por energía producida en GJ, para cada ciclo de producción de hidrógeno. Tabla I. Criterios a considerar de los ciclos de combustible en la producción de hidrógeno MW generado Ciclo de combustible Kg CO /GJ [3] de Hidrógeno por km [3] Costo unitario ($/t H) Carbón-captura 37.5 588.4 3114 [4] Carbón 13.6 588.4 161 [4] Turbina de viento 16.5 7.69 6081 [5] Nuclear-SMR-Captura CO 1.1 588.4 130 [7] Nuclear-Termociclos 7.5 588.4 170 [7] Nuclear-electrólisis 39.6 588.4 5197 [6] Nuclear-SMR 59.4 588.4 77 [6] Hidroeléctrica 16.5 7.69 475 [8] SMR -Captura CO.8 588.4 1575 [4] SMR 68. 588.4 98 [4] Biomasa solar 53.9 0.83 5170 [9] 3.. Tasa de Producción de Hidrógeno por Ciclo de Combustible Este parámetro refleja el uso de suelo por generación de hidrógeno producido, y como puede esperarse (ver Tabla I), las fuentes renovables como la energía eólica y solar tienen una baja producción de hidrógeno por km 3.3. Costos de Generación Unitarios de Hidrógeno Los costos de generación de hidrógeno por fuente de energía y tecnología empleada, son un parámetro muy importante en la evaluación del desarrollo sostenible, estos datos están reportados en dólares por tonelada de hidrógeno producida (ver Tabla I). 3.4. Suministro de Energía Primaria El suministro de energía primaria en México es importante para evaluar las posibles fuentes de energía primaria para la producción de hidrógeno. Nos ayuda a visualizar, de las fuentes de energía primaria, la opción que pudiera cubrir de forma segura, la producción de energía en México, y de forma indirecta sirve para plantear posibles escenarios de cobertura de demanda para un energético alterno como el hidrógeno. En la Tabla II se muestra el suministro de energía primaria en México, por tipo de energético primario, así como la disponibilidad o el potencial que cada uno de ellos tiene, teóricamente, para satisfacer los requerimientos de energía del país y Memorias CIC Cancún 007 en CDROM 560 Proceedings IJM Cancún 007 on CDROM

eventualmente para producir hidrógeno. El término no limitada para la disponibilidad de los recursos fósiles y nucleares, significa que en teoría, con la tecnología disponible y los recursos energéticos existentes es posible satisfacer toda la energía del país con esos energéticos primarios. Tabla II. Parámetros a Considerar del sector Energético Mexicano Disponibilidad Energético primario Energía (PJ) [10] de los recursos (PJ) Carbón 379.01 No limitada Petróleo crudo 861.74 No limitada Gas natural 408.14 No limitada Nucleoenergía 117.88 No limitada Hidroenergía 78.43 174.69 [11] Energía eólica 0.05 151.37 [1] Biomasa solar 349.86 3771 [ 13] Total 6649.3 4. METODOLOGIA DE EVALUACIÓN DEL DESARROLLO SOSTENIBLE DE LAS TECNOLOGIAS DE PRODUCCION DE HIDROGENO EN MEXICO Para evaluar las fuentes de producción de hidrógeno se ha aplicado una metodología llamada evaluación total del mérito [3]. Está basada en una serie de indicadores que evalúan parámetros de producción del combustible. El primer indicador FOM 1 está diseñado para favorecer a los sistemas con menor cantidad de emisiones de CO a la atmósfera, el indicador FOM identifica a los procesos de generación de energía con mayor potencial con respecto a los requerimientos nacionales de energía, el tercer indicador FOM 3 justifica a las tecnologías que utilizan una menor cantidad de espacio territorial y el cuarto indicador FOM 4 está diseñado para favorecer a las tecnologías con un costo de generación de hidrógeno menor. 55( kg / GJ ) FOM 1 = CO residual( kg / GJ ) FOM = EnergíaDisponibleporFuente Energía Pr imariaanualnacional FOM 3 TasadePr oduccióndehidrógeno / km = ValorMáximoenGrupo ValorMáximoenGrupo FOM = 4 $ portoneladahidrógeno Memorias CIC Cancún 007 en CDROM 561 Proceedings IJM Cancún 007 on CDROM

El valor de 55 del FOM 1 corresponde al CO emitido por el gas natural, el cual es tomado como referencia. La figura al mérito total se calcula multiplicando los valores parciales: FOM = FOM 1 FOM * FOM 3 * * FOM 4 Los valores obtenidos en cada figura al mérito se normalizan, y a la tecnología mejor evaluada se le asigna una figura al mérito total de 10. 5. RESULTADOS Y CONCLUSIONES Los resultados se encuentran reportados en forma de gráfica en la siguiente figura: Figura total al mérito Figura al mérito total 1 10 8 6 4 0 0.0001 Biomasa solar Turbina de viento 0.0003 0.0005 Hidroeléctria 10.00 7.76 7.97 6.45 4.16.39 1.30 1.35 Carbón Nuclear-electrólisis Carbón-captura SMR Ciclos de producción de hidrógeno Nuclear-SMR SMR -Captura CO Nuclear-Termociclos Nuclear-SMR-Capt... Figura. Figura al mérito total de los ciclos de producción de hidrógeno en México El desarrollo de esta investigación arroja resultados importantes: Aunque las fuentes renovables como la energía solar y la energía eólica reducen en gran cantidad las emisiones de gases de efecto invernadero, en la actualidad no ofrecen costos competitivos con otras fuentes de energía y su participación en el suministro de energía primaria en México es muy pequeña. Por otra parte, las fuentes de energía provenientes de los hidrocarburos, aunque son de bajo costo, tienen grandes externalidades ambientales asociadas a su ciclo de combustible, la reducción de estas externalidades podrían comerciarse en el mercado de carbono, de acuerdo al protocolo de Kyoto. Memorias CIC Cancún 007 en CDROM 56 Proceedings IJM Cancún 007 on CDROM

Finalmente, el ciclo de combustible mejor calificado, de acuerdo al desarrollo sostenible cuantificado en la metodología al mérito total, es la reformación de gas natural utilizando energía nuclear como fuente de energía primaria y captura de CO. Esta tecnología tiene pocos impactos ambientales asociados a su ciclo de producción, dentro del mercado energético mexicano tiene uno de los costos unitarios más bajos de combustible primario y tiene una densidad de potencia por superficie (MW/km ) y por central energética alta (MWt) REFERENCIAS 1. Página de la Cumbre Mundial del Desarrollo Sostenible (WSSD), http://www.johannesburgsummit.org/. National Research Council and National Academy of Engineering, The Hydrogen Economy, The national academy press, Washington D.C., United States (004). 3. B.C.R. Ewan, R.W.K. Allen, A figure of merit assessment of the routes to hydrogen, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 30, p. 809-819 (005). 4. NREL report, Hydrogen supply: costs estimate for hydrogen pathways-scoping anlysis, NREL/SR-540-355 (000). 5. UK Department of trade and industry. The future offshore-consulation document, November 00 6. Shultz KR, Use of modular helium reactor for hydrogen production, World Nuclear Association Annual Symposium, London, United Kingdom (003). 7. LaBar MP. Status of GT-MHR for electricity production, World nuclear association annual simposium, London, United Kingdom (003). 8. Idaho National Engineering and Enverionmentla Laboratory. Hydropower facts-plant costs and production Expenses, US Department of Energy. 9. Iwaski W. A consideration of the economic efficiency of hydrogen production from biomasa, Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 8, p 939 (003). 10. Secretaría de energía, Balance Nacional de Energía 005, Mexico D.F., México (006). 11. Comisión Federal de Electricidad, Programa de Obras e Inversiones del Sector Eléctrico 007-015, México (007). 1. Página de la CONAE, http://www.conae.gob.mx/work/sites/conae/resources/localcontent/489//aracelyacosta.pdf (006). 13. Energía de la Biomasa, http://www.layerlin.com/ppebiomasa.html (007). Memorias CIC Cancún 007 en CDROM 563 Proceedings IJM Cancún 007 on CDROM