INFORMACION TECNICA DEL HIDROGENO
1. Alcances generales EL HIDRÓGENO COMBUSTIBLE DEL FUTURO HOY La disminución progresiva de las reservas de combustibles fósiles y los problemas de contaminación ambiental asociados a su combustión han atraído la atención de los investigadores hacia la búsqueda de vectores energéticos alternativos. El hidrógeno es uno de estos vectores que tiene grandes ventajas ambientales. Es un combustible limpio cuando se quema con aire y produce emisiones no contaminantes, excepto para algunas relaciones H 2 /aire donde la temperatura elevada de la llama produce concentraciones significativas de NOx en la combustión. Además de la combustión directa, muy recientemente se ha empezado a desarrollar una tecnología basada en pilas de combustibles en las que se transforma la energía química, almacenada en el enlace H-H de la molécula H 2, en energía eléctrica y vapor de agua. No obstante, por tratarse de una tecnología emergente, cabe esperar y se deben producir desarrollos importantes tanto en la integración energética de los diferentes procesos implicados como en la implementación de las tecnologías catalíticas y electrocatalíticas existentes. 2. Características y propiedades del Hidrógeno El Hidrógeno es un gas incoloro, inodoro, insípido altamente inflamable y no es tóxico, este se quema en el aire formando una llama azul pálido casi invisible. El Hidrógeno es el más ligero de los gases conocidos en función a su bajo peso específico con relación al aire. Por esta razón, su manipulación requiere de cuidados especiales para evitar accidentes. El Hidrógeno es particularmente propenso a fugas debido a su baja viscosidad y a su bajo peso molecular. Algunas propiedades químico-físicas: PROPIEDADES VALORES Densidad 0,0899 kg/nm 3 (gas) 0,0708 kg/l (liquido) Poder calorífico 141,86 MJ/kg (superior) 120 MJ/kg (inferior) Capacidad calorífica específica C p =14,199 J/(kg K) C v =10,074 J(kg K)
3. Uso del Hidrógeno El hidrógeno es un insumo importante para la industria química. Toma la parte en las reacciones de adición (hidrogenación) o por medio de su potencial como agente reductor. Si bien cambios en la producción y el sector de utilización ha sido relativamente pequeño desde algún tiempo, la tendencia actual es utilizar este recurso como una potencial fuente de energía. En la actualidad, no se usa el hidrógeno directamente para producir la energía (aparte de la tecnología espacial), se han usado mezclas con el hidrógeno para propósitos de combustión con buenos resultados en algunos vehículos logrando buena autonomía. Alguno de los procesos que utilizan hidrogeno: - Hidrogenación de aceites - Procesos especiales de soldadura y corte - Laboratorios - Hornos de sinterización - Formación de atmósferas reductoras (industria del vidrio) - Hornos para reducción de ciertos metales (eliminación de Oxígeno) - Fabricación de semiconductores. 4. Hidrógeno como combustible Por más de un siglo el hidrógeno se ha considerado como un combustible conveniente y limpio. Puesto que puede obtenerse de una diversa gama de fuentes domésticas, el hidrógeno podría reducir los costos económicos, políticos y ambientales de los sistemas de energía. Por otra parte, en áreas urbanas, a causa de la contaminación del aire, los costos relacionados con la preservación de la salud son un problema creciente, tanto para las sociedades desarrolladas como las que se encuentran en vías de desarrollo. En el largo plazo, el hidrógeno obtenido de fuentes renovables ofrece un potencial de energía que sería sostenible en todos sentidos En la actualidad, prácticamente el 95% del hidrógeno que se produce se hace a partir de combustibles fósiles.
5. Métodos de obtención El hidrógeno se produce utilizando electricidad o calor, a partir de fuentes energéticas renovables o fósiles. No obstante, se está considerando cada vez más el uso de energía renovable no contaminante para la producción de hidrógeno, debido, en particular, a la preocupación creciente que en la actualidad generan el medio ambiente y los cambios climáticos. En este aspecto, la electrólisis constituye uno de los métodos de producción más prometedores. Este proceso utiliza la electricidad para separar el hidrógeno y el oxígeno de las moléculas de agua. Asimismo, el hidrógeno producido a partir de la conversión térmica de la biomasa presenta ventajas considerables para el medio ambiente. Reformado con vapor (steam reforming) Con este procedimiento el hidrógeno se obtiene a partir de hidrocarburos, fundamentalmente del gas natural. El principal componente del gas natural es metano y la reacción consiste básicamente en separar el carbono del hidrógeno. El proceso tiene lugar en dos etapas: En la fase inicial, el gas natural se convierte en hidrógeno, dióxido de carbono y monóxido de carbono. La segunda etapa consiste en producir hidrógeno adicional y dióxido de carbono a partir del monóxido de carbono producido durante la primera etapa. El monóxido de carbono es tratado con una corriente de vapor a alta temperatura produciéndose hidrógeno y dióxido de carbono. La mayoría del hidrógeno empleado por la industria petroquímica se genera de esta manera. El proceso tiene una eficiencia entre el 70 y el 90%. A continuación se muestran las reacciones químicas producidas durante el proceso: CH 4 + H 2 O CO + H 2 O CO + 3H 2 CO 2 + H 2
Oxidación parcial de combustibles fósiles con defecto de O 2 Corresponde a la reacción de hidrocarburos con una cantidad insuficiente de oxigeno, lo que conlleva a una combustión incompleta pese a la temperatura y presión de trabajo (1350 a 1600 C y 15MPa). Se obtiene una mezcla de gas, donde el hidrógeno y CO son sus principales componentes que posteriormente se purifica. Las cantidades de oxígeno y vapor de agua son controladas para que la gasificación continúe sin necesidad de aporte de energía. La siguiente reacción global representa el proceso: CH 4 + H 2 O CO + 6H 2 Existen 3 procesos comerciales para la producción de gas de mezcla generado por oxidación parcial, los cuales difieren solamente en el tipo de alimentación: - Proceso Texaco, utiliza gas natural como reactivo inicial, cambiando a hidrocarburos líquidos solo cuando es posible una etapa de reformación por vapor. - Proceso Shell, utiliza aceites pesados desde el principio. - Proceso Lurgi: utiliza aceites de alquitrán e hidrocarburos pesados como alimentación Electrólisis del agua: La producción electrolítica de hidrogeno es poco rentable frente al proceso químico de gran escala basado en le reformación de gas por vapor. Sin embargo en los casos en que se necesita pequeñas cantidades de hidrogeno en forma particular o de una alta pureza, este proceso es el utilizado en forma exitosa. Energía + 2H 2 O O 2 +2H 2 En un futuro cercano se espera un apreciable aumento en la generación de hidrogeno electrolítico debido a la disminución de gas natural y un aumento en el costo de producción de electricidad barata en plantas nucleares.
El paso de la corriente eléctrica a través del agua, produce una disociación entre el hidrógeno y el oxígeno, componentes de la molécula del agua H 2 O. El hidrógeno se recoge en el cátodo (polo cargado negativamente) y el oxígeno en el ánodo. Según el tipo de proceso, se observa lo siguiente: Proceso Eficiencia % Emisiones Reformado con vapor (gas natural) 83 90 Sí Reformado con vapor (biomasa) 56 Neutral Gasificación (gas natural) 70 80 Sí Gasificación (carbón) 63 Sí Gasificación (biomasa) 40 50 Neutral Electrólisis 60-90 Según fuente Primaria Procesos termoquímicos Hasta 50 No Procesos fotobiológicos nd No Fotólisis 10-14 No Costo de producción del Hidrógeno: Fuente de origen Costo US$ / GJ H 2 Gas Natural CO2 5-10 Carbón CO2 7-10 Biomasa 9 14 Energía Nuclear 15-18 Reactor Gas Alta Temperatura 7-24 Energía eólica onshore 14-29 Energía eólica offshore 20-24 Energía solar térmica 26-33 Energía solar fotovoltaica 45 50
6. Almacenamiento de hidrógeno - Tecnologías disponibles 6.1 Almacenamiento a alta presión La baja densidad del hidrógeno gaseoso conlleva grandes volúmenes y altas presiones para lograr un almacenamiento eficaz. A pequeña escala, el almacenamiento se realiza en recipientes de media a alta presión. Para la acumulación de grandes cantidades, una alternativa de futuro podría ser el almacenamiento subterráneo en cavernas y minas abandonadas. En la actualidad se utilizan: Presiones de trabajo 200-250 bar Nuevos desarrollos 400-700 bar Materiales compuestos de fibra de carbono Aluminio reforzado con fibra de carbono Inconvenientes: Densidad energética por unidad de volumen baja. Tecnología cuestionada debido a aspectos de seguridad Aplicaciones en tecnología espacial y de defensa: Permite reducir el tamaño de los estanques de combustible de los impulsores de vehículos espaciales. 6.2 Hidrógeno líquido El hidrógeno líquido es transparente, incoloro, inodoro e insípido. Las propiedades más importantes desde el punto de vista del almacenamiento y manipulación son su baja temperatura de ebullición, baja densidad y alta volatilidad. Una vez que el hidrógeno ha sido licuado y purificado se necesita de un sistema que permita su trasiego y almacenaje. Aceptable autonomía y tiempo de operación Densidad del hidrógeno licuado 71 Kg/m3 Inconvenientes: El proceso de licuado consume el 30-40 % de la energía. Aplicaciones en tecnología espacial y de defensa: Lanzadera espacial y Arianne.
Veamos, primero las ventajas y desventajas del hidrógeno: Ventajas No produce emisiones de CO 2 Alta densidad energética, E/m Baja energía de activación Extremadamente volátil No tóxico Alto limite inferior de inflamabilidad Alta temperatura de combustión espontánea Muy seguro en espacios abiertos Desventajas Baja densidad energética, E/V Baja temperatura de licuefacción Extremadamente volátil Menos seguro en espacios confinados A corto plazo: métodos alternativos de producir H 2 acoplados a captura de CO 2 ; procesos de generación de hidrógeno que no emitan CO 2. Mediano plazo: mayor peso de los procesos de emisiones cero, desarrollo de tecnologías fuera del ciclo del carbono, desarrollo de un sistema amplio y eficiente de producción almacenamiento/distribución. Tal vez alcanzar las metas lleve algunos años, pero el día que la tecnología esté resuelta va a ser muy difícil participar como socio tecnológico con las grandes empresas que impulsan el desarrollo. Hay fuerzas impulsoras muy importantes para avanzar hacia el desarrollo del hidrógeno: una es la amenaza del cambio climático, el protocolo de Kyoto, los bonos verdes y las penalizaciones por emisiones; pero también hay opiniones en contra.
7. Generación de energía utilizando hidrógeno La principal modalidad tecnológica viable con tecnología existente, para el desarrollo de una economía sustentada en el hidrógeno como energético, es la celda de combustible, un dispositivo que convierte directamente energía química en eléctrica mediante la combinación del hidrógeno con oxígeno del aire, dejando como subproductos agua y calor. Su más importante diferencia con las baterías convencionales, es que éstas agotan los reactivos electroquímicos al generar la corriente mientras que las pilas de combustible producen la electricidad utilizando la reacción entre el hidrógeno que se re-nueva continuamente y el oxígeno del aire, para producir agua liberando electrones. Las aplicaciones energéticas de las celdas de combustible son de tres tipos: Instalaciones estacionarias: Los equipos residenciales de generación, en los que se aprovecha el calor además de la electricidad, llegan a eficiencias de 80%. Su principal demanda se estima para áreas aisladas, de difícil acceso a redes de servicio público. Son baterías de celdas de combustible, alimentados generalmente con metanol y de una potencia de 3 a 10 kw en unidades denominadas Home power/heating center, para los cuales se estima que hay un enorme mercado a escala mundial. Equipos más grandes, que requieren pequeñas redes de distribución para la transmisión eléctrica, utilizables en edificios o complejos habitacionales y comerciales, se basan en gas natural o propano (como los usados en las cooperativas mencionadas más adelante) y la energía generada está entre 25 y 50 kw. Equipos portátiles: Existen diversas oportunidades para el uso de pilas de hidrógeno portátiles. Varias empresas llevan a cabo proyectos dirigidos a la utilización de celdas de combustible en miniatura para usos en equipos de emergencia, artefactos livianos que requieren energía, generadores, móviles pequeños, cámaras, mini-vehículos de varios tipos, computadoras portátiles y equipos médicos. Estas aplicaciones están en fase de desarrollo y experimentación, pero se estima que sólo pasarán algunos años antes de que estén en el mercado. Vehículos: Desde luego, el principal uso que se vislumbra y el de mayor impacto económico, es en automóviles, autobuses y camiones. En vehículos, una celda de combustible como fuente de potencia puede ser entre dos y tres veces más eficiente que el motor tradicional de gasolina. Todas las grandes empresas fabricantes de automóviles tienen programas de investigación y desarrollo de esta tecnología.
8. Celda de Combustible Las celdas de combustible son reactores de estado estacionario a los que se dosifican los reactivos en forma continua y de los que se extraen los productos también en forma continua. Las celdas de combustible funcionan bajo el principio de intercambio de carga electrolítica entre una placa de ánodo negativa y una placa de cátodo positiva. Cuando se utiliza hidrógeno como combustible básico se produce hidrólisis inversa, dando agua y calor como subproductos, sin producir contaminantes, y convirtiendo energía química en eléctrica. Los diferentes tipos de celdas de combustible se caracterizan generalmente por el material de su electrolito. El electrolito es la sustancia que sirve como puente para el intercambio de iones entre el ánodo y el cátodo. Una celda de combustible es silenciosa, eficiente y limpia. Las celdas de combustible normalmente funcionan con gas de hidrógeno puro, el cual se puede producir sin contaminación utilizando la energía solar, tanto como otras fuentes renovables de energía. Las celdas de combustible que utilizan hidrógeno no producen ninguna forma de contaminación, y el único producto secundario es agua pura. Las celdas de combustible son eficientes en un 50% aproximadamente, en comparación con los motores de combustión interna, que logran apenas 12% a 15% de eficiencia. Además, en vista de que las celdas de combustible no tienen componentes movibles, pueden ser muy confiables y casi completamente silenciosas. Intechnology Chile Ltda. Innovaciones Tecnológicas