Hidrógeno como almacenamiento de energía

El Hidrógeno Como Almacenamiento de Energía

1. Producción por electrólisis

Es el método más conocido para la producción de hidrógeno. Mediante la electrolisis, el agua se descompone para formar hidrógeno y oxígeno. Como puede observarse, en esta reacción se necesita un aporte energético que será suministrado mediante energía eléctrica.

El mecanismo de electrolisis es el siguiente: en una célula electroquímica hay dos electrodos (cátodo y ánodo) unidos por un medio conductor formado por iones H+ (protones) disueltos en agua. El paso de corriente eléctrica entre cátodo y ánodo hace que el agua se disocie, formándose hidrógeno en el cátodo y oxígeno en el ánodo.  

Para disminuir la resistencia al paso de corriente a través del agua esta se suele acidular añadiendo pequeñas alícuotas de ácido sulfúrico o bien añadiendo un electrolito fuerte como el hidróxido de sodio, NaOH. Lo mejor es utilizar electrodos de platino ya que los electrodos de hierro pueden ser atacados por el oxígeno, con lo que se formará el óxido de hierro y eventualmente el hidróxido, por lo que se contaminará la cuba electrolítica.

[pic 1]

Ilustración 1 Descripción gráfica de la electrólisis

1. ¿Cómo se produce?

1. Procesos de conversión química

• Reformado por vapor de agua. – Es un proceso termodinámico que consiste en hacer reaccionar metano, o más comúnmente gas natural, y vapor a alta temperatura, transcurre dentro de un reactor químico, cuando estas temperaturas se alcanzan con combustibles fósiles, se convierte en el método más barato para producir hidrógeno actualmente.
• Oxidación parcial. - La oxidación parcial consiste en una oxidación incompleta de un hidrocarburo, por ejemplo, gas natural, donde sólo se oxida el carbono (y sólo hasta monóxido de carbono), quedando libre el hidrógeno.

2CH4 + O2 → 2CO + 4H2

• Pirólisis. - Descomposición de un combustible sólido (carbón o biomasa) mediante la acción de calor en ausencia de oxígeno. Para producir hidrógeno se necesita controlar la reacción para que se produzca un gas de síntesis que posteriormente pueda ser acondicionado mediante la reacción de desplazamiento y un proceso de purificación.
• Gasificación. - El proceso de gasificación consiste en una combustión con defecto de oxígeno en la que se obtiene monóxido y dióxido de carbono, hidrógeno y metano, en proporciones diversas. Para la producción de hidrógeno interesan los procesos de gasificación con vapor de agua y oxígeno puro, ya sean a partir de carbón o de biomasa.

1. Procesos de termólisis. - Los procesos de termólisis implican la extracción del hidrógeno de la molécula que lo alberga (hidrocarburo o agua) mediante la aplicación de calor. Bajo esta definición el reformado, la gasificación y la pirólisis se pueden entender como procesos de termólisis. La consideración de estos procesos como métodos químicos o termolíticos depende de la fuente de calor empleada. Se clasifican en: termólisis directa y por ciclos termoquímicos.
2. Procesos de electrólisis. -  La electrólisis consiste en la ruptura de la molécula de agua por acción de una corriente eléctrica. Se puede realizar a baja o alta temperatura. La demanda energética para este proceso varía de acuerdo a la temperatura.
3. Procesos biológicos.

• Fermentación. -  Las plantas almacenan la energía solar captada en forma de hidratos de carbono simples (azúcares) o complejos (almidón o celulosa), a partir de los que se puede obtener etanol por fermentación.
• Digestión anaerobia. - Se trata de una fermentación microbiana en ausencia de oxígeno que produce una mezcla de gases (principalmente metano y dióxido de carbono) conocida como biogás. El metano puede ser tratado posteriormente para obtener hidógeno por los procesos vistos.

1. Procesos fotolíticos.- Estos procesos utilizan la luz solar para producir la hidrólisis del agua. Existen dos alternativas, en la actualidad bajo investigación y que pueden transformarse en prometedoras vías de obtención de hidrógeno a largo plazo.

• Fotoelectrólisis
• Fotibiólisis

1. Almacenamiento de hidrógeno

Debido a su densidad el hidrógeno es un gas difícil de almacenar, esta dificultad de almacenamiento es tal que su uso en algunas aplicaciones móviles como en vehículos quede limitado. No obstante, existe una gran variedad de posibilidades para su almacenamiento de forma que se pueda seleccionar la técnica apropiada para cada aplicación.

1. Almacenamiento de hidrógeno gas

• Tanques a presión. – Es la forma más convencional de almacenamiento del hidrógeno gas, se emplean tanques convencionales de acero o tanques ligeros de fibra de carbono. Para su aplicación como energía para vehículos, antes de poder comenzar la producción comercial de sistemas de almacenamiento de hidrógeno a alta presión, es necesario resolver un conjunto de aspectos entre los que está la seguridad, la resistencia y el coste.
• Microesferas de vidrio. - Una alternativa al almacenamiento de hidrógeno gas, para aplicaciones de automoción, lo ofrecen las microesferas de vidrio. El proceso de carga del hidrógeno se realiza aprovechando la permeabilidad del hidrógeno a alta presión (350-700 bar) y temperaturas de 300ºC en los huecos de las microesferas en un envase resistente a la presión.

1. Almacenamiento líquido

• Hidrógeno líquido. - El hidrógeno puede almacenarse en forma líquida a temperaturas criogénicas (-253ºC). Como principal ventaja el hidrógeno líquido ofrece su densidad energética por unidad de volumen (muy superior a la del hidrógeno gas) incluso a relativamente bajas presiones.
• El uso de disoluciones de borohidruros es otra de las alternativas para el almacenamiento de hidrógeno en medio líquido. En este caso, el hidrógeno se libera a partir de una reacción de hidrólisis catalítica:

NaBH4 (l)+ 2 H2O (l) Æ 4 H2 (g) + NaBO2 (s)

1. Almacenamiento sólido.

• Materiales basados en el carbono. – Las nanoestructuras de carbono, gracias a su baja masa y su alta capacidad de adsorción, el almacenamiento de hidrógeno en nanotubos de carbono es posible únicamente a temperaturas extremadamente bajas.
• Hidruros recargables. - El hidrógeno tiene la propiedad de reaccionar con diferentes metales de transición formando compuestos denominados hidruros. Las reacciones son reversibles en condiciones adecuadas de presión y temperatura y, por tanto, una determinada masa metálica puede ser cargada y descargada un número prácticamente ilimitado de veces y se puede utilizar como depósito de almacenamiento sólido de H2.         

1. Reconversión

La energía química del hidrógeno puede convertirse directamente en electricidad en reactores electroquímicos denominados celdas de combustible.

...