Sistema energético basado en el hidrogeno

Sistema energético basado en el hidrogeno

La fuente primaria

El H2 no puede extraerse directamente por explotación de una mina o perforación de un pozo, sino que debe obtenerse desde materiales ricos en H2, tales como gas natural, carbón, agua y materia orgánica. Para una utilización energética masiva del H2, la principal fuente es el agua, limpia e inagotable ya que cuando el H2 se usa como combustible, se produce agua nuevamente, pudiéndose volver a iniciar el ciclo (Veziroglu, 1992).

B. Subsistema S2: Las tecnologías de transformación

Existen varias tecnologías de producción, cada una en diferente etapa de desarrollo.

Los procesos comerciales están basados en alguna de estas técnicas o en una combinación de ellas. La selección de la tecnología más adecuada para un caso específico depende de la disponibilidad de materia prima o fuente, de la cantidad y pureza requerida para el H2, de la economía global del proceso, de las regulaciones ambientales y del uso final(Veziroglu, 1992).

Tecnologías de producción termoquímicas

Sirven tanto para fuentes fósiles como alternativas; sin embargo, las primeras se han usado (y se seguirán usando) mayoritariamente en la producción comercial del H2, al punto que el 96 % del total mundial producido se obtiene de esta manera. Comprenden el reformado de gas natural, la oxidación parcial de los derivados del petróleo y la gasificación del carbón (Hoffman, 2001). Se describirá el primero, considerado el más importante de todos.

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 de Water Gas Shift 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 Pressure Swing Adsorption (PSA), el cual permite obtener hidrógeno puro al 99.99%, cuyo contenido energético es mayor que del gas natural del cual precede.

Reformado con vapor

Es un proceso químico que produce H2 a partir de una mezcla de vapor de agua e hidrocarburos, siendo el más usado el gas natural, compuesto principalmente por metano.

Cuando éste se combina con el vapor de agua, una reacción química los convierte en H2 y dióxido de carbono. El contenido energético del H2 producido es mayor que el del gas natural consumido, pero se requiere una cantidad considerable de energía en la operación del reformador, la eficiencia de conversión neta es típicamente del 65 %. Aproximadamente el 48% de la producción mundial de H2  proviene de éste método con un costo cercano a 0,65 dólares por kg. de H2. Varias compañías están desarrollando pequeños reformadores de metano a ubicarse en estaciones de servicio locales, y que podría ser la opción de producción más viable a corto plazo (Hoffman, 2001).

Tecnologías de producción electrolíticas

La principal es la electrólisis, que consiste en el uso de electricidad para romper la molécula de agua. Es común tener eficiencias del 65 %, aunque los electrolizadores avanzados pueden alcanzar hasta el 85 %. Actualmente, el 4 % del H2  mundial se obtiene de esta forma, pero se espera sea el método de producción en el futuro. Para producción en pequeñas cantidades, el costo se ubica entre 2,40 – 2,60 dólares por kg. y para producción en gran escala, los mismos pueden ser de hasta 5 veces más que la producción a partir de fuentes fósiles, principalmente por el costo de la electricidad. No obstante, se espera que los costos declinen en el curso de la próxima década con mejoras en la tecnología de conversión, con la producción masiva de pequeños electrolizadores y con el uso de electricidad barata (Kreuter, 1998).

Tecnologías de producción fotolíticas

Conocidas globalmente como fotoprocesos, están en fase experimental y usan la energía y otras propiedades de la luz (usualmente luz solar) para producir H2  a partir de agua o biomasa. Existen tres amplias categorías: a. Técnicas Fotobiológicas, basadas en el ciclo de la fotosíntesis de plantas y algunas bacterias y algas, con una eficiencia entre 1-5%, pero recientes investigaciones esperan incrementar al 10 % o más; b. Técnicas Fotoquímicas, que imitan la fotosíntesis natural usando moléculas sintéticas, tienen solo una eficiencia del 0.1% que puede, en principio, ser mejorada; c. Técnicas Fotoelectroquímicas, que usan capas de material semiconductor separadas por agua. Cuando el sistema se expone a la luz, se genera un voltaje que rompe la molécula de agua. Los prototipos avanzados han obtenido en el laboratorio una eficiencia del 13 % y que teóricamente podría ser hasta del 35 % (Veziroglu, 2002).

Producción de hidrógeno a partir de energías alternativas

Si bien no se discute que la producción del H2  a partir de CF domina el mercado actual del H2  por su preeminencia tecnológica y económica, también es indiscutible que el H2 producido a partir de EA será la base energética del futuro. De todas las opciones (Figura3), la energía solar y la bioenergía son las más atractivas y de mayor desarrollo, incluso a nivel de plantas piloto semicomerciales.

                        T› 450 °C[pic 1]

•Producción de H2  a partir de energía solar Puede darse de dos formas: a. Directa, mediante fotoprocesos. Actualmente, sólo se producen pequeñas cantidades a escala de laboratorio; y b. Indirecta, que utiliza técnicas electrolíticas con suministro de electricidad a partir de celdas fotovoltaicas (FV). Se estima que el 0.5 % del área superficial de la tierra  podría producir una cantidad de H2 equivalente a 7.000 tce/km2 (tce=tonelada de carbón equivalente) por año, y que podría satisfacer el consumo de energía mundial en ese mismo lapso (Veziroglu, 2002).

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