Produccion de hidrogeno

TEMA 8: EL HIDRÓGENO

Ventajas:

• Alta densidad energética en base másica: Bajo peso de combustible en lo tanques de almacenamiento.
• Gran disponibilidad: Puede producirse de varias materias primas (renovables y no renovables).
• Baja energía de activación
• Riesgo de ignición menor que la gasolina
• Su combustión es limpia debido a que solo produce agua.

Inconvenientes:

• Baja densidad energética en base volumétrica: Tanques de almacenamiento grandes y pesados.
• Transporte y almacenamiento costosos y difícil implantación.
• Combustible secundario: su obtención implica un gasto energético.
• Muy volátil.
• Arde con llama invisible.
• Gran difusividad (fugas).

Producción de hidrógeno

• Electrolisis

Es una tecnología fiable donde la obtención de H2 es de gran pureza (libre de óxidos de carbono). Es fácil de adaptar a pequeñas aplicaciones y se puede combinar con energía renovables. Su coste depende sobre todo del coste de energía eléctrica.

Cátodo: 2H2O + 2e -> H2 + 2OH-

Ánodo: 2OH- -> ½O2 + H2O +2e

Célula: H2O -> H2 + ½O2

Los equipos más empleados son los alcanilos debido a que aumenta la conductividad eléctrica, cuyo electrolito es una disolución de KOH. Los electrolizadores son de halógenos y de membrana de intercambio protónico.

El hidrógeno producido en el cátodo se debe purificar ya que contiene impurezas de oxígeno y un cierto nivel de humedad. La corriente de hidrógeno se seca mediante un adsorbente y las impurezas de oxígeno se eliminan. Además, en el ánodo del electrolizador se produce oxígeno, cuyo volumen es la mitad del volumen de hidrógeno, tal como corresponde a la composición de la molécula de agua. 

Hay varios tipos de electrolisis:

• Electrolisis de vapor a alta temperatura: donde tiene que haber una energía de reacción necesaria en forma de calor y electricidad.
• Electrolisis reversible del HBr: energía necesaria para disociar el HBr, que es la mitad que en el caso de la molécula de agua.
• Fotoelectrolisis: se produce la división de la molécula de H2O en H2 y O2 (luz solar).

• El metano como fuente primaria

Las ventajas frente a otros hidrocarburos es su elevada relación atómica H/C, su menor cantidad de CO2 producido por unidad de energía y su mayor cantidad de H2 por C.

• “Fracking de suelos”

La técnica para extraer gas natural de yacimientos no convencionales se denomina fracking. Se trata de explotar el gas acumulado en los poros y fisuras de ciertas rocas sedimentarias estratificadas de grano fino o muy fino, generalmente arcillosas o margosas, cuya poca permeabilidad impide la migración del metano a grandes bolsas de hidrocarburos. Para ello es necesario realizar cientos de pozos ocupando amplias áreas e inyectar en ellos millones de litros de agua cargados con un cóctel químico y tóxico para extraerlo.

Este proceso conlleva una serie de impactos ambientales, algunos de los cuales aún no están plenamente caracterizados o comprendidos, entre ellos contaminación de las aguas subterráneas, contaminación atmosférica, emisión de gases de efecto invernadero (metano), terremotos (sismicidad inducida), contaminación acústica e impactos paisajísticos.

• Reformado de metano con vapor de agua

El reformado con vapor es un método para la obtención de hidrógeno a partir de hidrocarburos, y en particular gas natural. Este proceso requiere de una gran cantidad de energía para realizar el reformado y en el caso de algunos combustibles, se necesita una remoción de contenidos de azufre y otras impurezas.

Este proceso consiste en exponer al gas natural, de alto contenido de metano, con vapor de agua a alta temperatura y moderada presión. Se obtienen como resultado de la reacción química hidrógeno y dióxido de carbono, y dependiendo la mezcla reformada, también monóxido de carbono, este proceso tiene un rendimiento de 65%, y en el caso de que el gas natural contenga azufre, este debe ser eliminado mediante la desulfuración. El proceso se lleva a cabo mediante dos reacciones, la primera es la reacción (WGS) de entre el agua y el metano:

CH4 + 2 H2O → 4 H2 + CO2

Esta primera reacción de reformado tiene lugar entre 800–900 °C a una presión de 25 bar, obteniéndose un gas rico en dióxido de carbono e hidrógeno y, en menor cantidad, monóxido de carbono. Se elimina primeramente el monóxido por medio de las reacciones de cambio de alta a baja temperatura a 400 y 200 °C respectivamente y se produce una mezcla gaseosa de H2, CO2, H2O y un poco de CO y CH4. Después de esta etapa se realiza una última purificación mediante el proceso PSA, que permite obtener hidrógeno puro al 99.99%, cuyo contenido energético es mayor que del gas natural del cual precede.

• Reformado con vapor de alcoholes

En este proceso, el metanol se hace reaccionar con vapor de agua sobre un catalizador para producir H2. Esta es una reacción endotérmica en la que el calor requerido se obtiene de la combustión del gas de cola junto a otra pequeña fracción de metanol. La corriente de hidrógeno se purifica en una unidad de adsorción/deserción, tal como se hace en el reformado de metano. Esta reacción es simple ya que no tiene en cuenta la formación de compuestos oxigenados intermedios, si bien por razones económicas solo se utiliza allí donde hay un exceso de metanol. 

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