Desde muchos puntos de vista el hidrógeno es el combustible perfecto. Es muy abundante, el más eficiente y no produce emisiones cuando se utiliza en una pila de combustible. No es tóxico, se puede producir a partir de recursos renovables y no es un gas de efecto invernadero. La energía del hidrógeno es limpia.

Numerosos estudios afirman que el hidrógeno puede ser el único combustible alternativo para reducir la dependencia de un país al petróleo extranjero. Al mismo tiempo, se lograría una gran reducción de los gases de efecto invernadero.

Estos son los motivos por los que se está usando hidrógeno en una amplia variedad de aplicaciones. Se han logrado importantes avances en la energía del hidrógeno, por ejemplo, en el transporte y como combustible.

La importancia de la energía de hidrógeno

Su importancia radica en que es buen vector para transportar energía. La posibilidad de su almacenamiento le hacen competir favorablemente con la electricidad en algunos casos.

Una de sus propiedades importantes es la energía específica de su combustión. Su valor es de 120 megajulios por kg en comparación con 50 MJ/kg del gas natural o con 44,6 MJ/kg del petróleo. Esto se contrapone a la baja densidad que presenta tanto como gas como licuado y a las dificultades de almacenamiento para sus aplicaciones al transporte.

No obstante, su capacidad de ser almacenado le hace apropiado como complemento de algunas energías renovables que funcionan intermitentemente o son irregulares como la eólica o la solar.

Estos temas se tratan con mayor profundidad en nuestro curso de hidrogeno

¿Qué es el hidrógeno?

El hidrógeno es normalmente un gas. Es el elemento más abundante en el Universo y es el combustible del Sol y del resto de estrellas. La energía que nos envía el Sol es la base de todos los procesos fisicoquímicos y biológicos que tienen lugar en la Tierra.

El hidrógeno está presente en forma molecular o iónica, sin embargo, a pesar de su abundancia no está disponible para nosotros. El posible yacimiento más próximo está en Júpiter, inaccesible por el momento.

En la Tierra el hidrógeno está combinado en su mayor parte formando agua. No hay hidrógeno libre y la corteza terrestre está formada principalmente por oxígeno, silicio, aluminio y otros elementos menores.

Las propiedades del hidrógeno

Deben destacarse algunas propiedades que son importantes y le hacen tan importante desde el punto de vista energético. Estas son:

    • el bajo punto de ebullición
    • la proximidad a la temperatura crítica
    • las bajas densidades del gas y del líquido
    • el contenido en deuterio, que puede ser una de las bases de la energía nuclear de fusión
    • su elevado coeficiente de difusión en el aire está en 0,62 cm2 / sg
    • los límites de detonación en oxigeno se sitúa entre el 15 y el 90 % del volumen, y en el aire está entre 18,3 y 59 %
    • los límites de inflamabilidad en oxigeno están en un rango entre 4,5 y 94 % del volumen mientras que en el aire está entre el 4 y 75 %
    • la temperatura de ignición: esta en 560 ºC en el oxígeno y 585 ºC en el aire
    • la temperatura de ignición de la llama alcanza los 2045 º C en el aire

De las propiedades antes citadas se pueden deducir ciertos inconvenientes como son: el almacenamiento el hidrógeno, la transformación de gas en líquido y las dificultades para el almacenamiento del hidrógeno líquido.

energía con hidrógeno

Cómo se genera energía de hidrógeno

Este video explica de forma sencilla y precisa cómo se genera electricidad a partir del hidrógeno.

La producción de energía con hidrógeno

Otra opción para obtener hidrógeno sin emitir CO2 son los reactores nucleares. Existen ciertos tipos de reactores de hidrógeno que pueden funcionar a altas temperaturas.

Estos reactores pueden ser utilizados en muchos procesos industriales. Por ese motivo, presentan una potencial de desarrollo en la industria nuclear para extender su empleo a otros campos diferentes a la producción de electricidad.

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Los reactores de hidrógeno

 

Reactores de hidrógeno de alta temperatura

Los tipos más probables para un futuro próximo son los de muy alta temperatura en los que el helio puede salir del reactor a temperaturas por encima de 900ºC, sobrepasado este valor recientemente en el reactor experimental japonés de este tipo, que sirve de prototipo tanto de este reactor como la de una instalación de obtención de hidrógeno por el método SI de mayor producción que la actual anexa al prototipo de este modelo de reactor.

En un futuro más lejano, los reactores rápidos reproductores, o los conjuntos reactor subcrítico-acelerador de partículas, podrán también ser empleados para producir hidrógeno. Habrán de desarrollarse antes prototipos nuevos con refrigerantes distintos a los basados hasta ahora en sodio o sodio-potasio, cuyas temperaturas de salida no suelen pasar de 550ºC ó 600ºC. Solamente los reactores empleando plomo o plomo-bismuto pueden funcionar, aparte de otras ventajas, a temperaturas próximas a los 900ºC-1000ºC, suficientes para la mayor parte de los ciclos propuestos.

Un esquema conceptual de un reactor de alta temperatura acoplado a una instalación de generación de hidrógeno es el siguiente:

reactores de energía con hidrógeno

Reactores multitubulares y catalizadores de niquel

El método industrial más utilizado industrialmente para producir hidrógeno en grandes cantidades parte de gas natural que tiene un contenido muy alto de metano. El reformado es un tratamiento con vapor de agua en presencia de un catalizador. El proceso está precedido de una eliminación del azufre contenido en el gas natural por medio de hidrógeno.

Las altas temperaturas y presiones empleadas, más de 750ºC y unos 3 MPa, proporcionan rendimientos en hidrógeno elevados del orden del 90 al 95%. Suelen emplearse reactores multitubulares y catalizadores de níquel.

Para conseguir un rendimiento alto, este tipo de reactor tiene dos zonas diferentes. La primera zona, de temperatura alta, aprovecha la mayor velocidad de reacción y la concentración más alta de CO. Se emplea un catalizador de óxido de hierro con un promotor de cromo.

En la segunda zona, posterior a la primera y de mayor volumen, se utiliza una temperatura baja, a la cual el equilibrio es más favorable, y un catalizador de cobre sobre un soporte de alúmina.

Los procesos que emplean naftas, mezclas de hidrocarburos o carbón proceden de manera semejante. Las diferencias entre ellos se deben a las complicaciones que se derivan de su distinta composición y requieren más tratamientos previos y más operaciones de separación cuando se pasa del combustible gaseoso a combustibles líquidos y más aún a combustibles sólidos.

En algunos países se han utilizado hidrocarburos en un proceso de pirólisis y oxidación parcial con vapor de agua y aire. La mezcla de reacciones es, en conjunto, endotérmica y se suelen utilizar altas temperaturas, del orden de 700ºC y aún más altas.

En la reacción, además de CO2 e hidrógeno, se producen olefinas, parafinas e hidrocarburos aromáticos, pero tiene las ventajas de no requerir catalizador y poder utilizar cualquier materia prima desde gas natural a asfalto, y evidentemente crudos de cualquier tipo, si bien precisa de oxígeno muy puro.

La electrólisis del agua

Un método muy seguido en ciertas partes del mundo y en otras épocas anteriores, cuando la electricidad era barata y abundante es la electrolisis del agua.

Este método requiere el manejo de células electrolíticas, cátodo y ánodo, presión utilizada para el proceso, intensidad y densidad de corriente de operación.

Algunas instalaciones utilizaban células de mercurio pero se están retirando a causa de la contaminación ambiental. Los residuos de la producción generaban vertidos que contenían mercurio.

Hay que señalar que los rendimientos no suelen llegar al 90%. Es evidente que el coste de la producción electrolítica depende básicamente del precio de la electricidad que se emplee. Solamente en algunos casos la electricidad tiene precios suficientemente bajos para poderla utilizar.

Este método se usa de forma excepcional, como en los valles de producción o en la producción conjunta de calor y electricidad, o a falta de una alternativa mejor.

Métodos directos de energía de hidrógeno

Los métodos directos de energía con hidrógeno basados en la aportación energética de la luz solar son la biofotolisis, la fotoelectrolisis y la fotocatálisis.

Estos métodos tienen en común, que son debidos a algas o bacterias o a compuestos químicos que reaccionan con el agua liberando hidrógeno. Los rendimientos son bajos entre el uno y el dos por ciento.

Ninguno de estos procesos puede dar lugar a cantidades importantes de hidrógeno.

Algunos ejemplos de este tipo son:

✔ las algas verdes, que producen hidrógeno por medio de hidrogenasas

✔ las perovskitas impregnadas con níquel

✔ algunos semiconductores cuando están iluminados con radiación ultravioleta

Fuentes consultadas: Luis Rodriguez Jodra

Apuesto por la energía del hidrógeno

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El uso de energía de hidrógeno

El hidrógeno es un combustible que puede ser usado en motores de combustión o en células electroquímicas. De esta manera, puede impulsar directamente vehículos al combustionar o bien generar electricidad a partir de esa reacción electroquímica.

Por ejemplo, la NASA ha usado durante mucho tiempo la energía del hidrógeno para impulsar sus cohetes. Siempre fue decisivo su enorme poder de combustión. Del mismo modo, hay células de combustible de hidrógeno que se usan para impulsar coches eléctricos. Probablemente, hayas visto algún autobús movido por esta tecnología.

Debido a su alta eficiencia, el hidrógeno y las pilas de combustible tienen el potencial de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en muchas aplicaciones. Se habla de funcionamiento con cero emisiones.

Según un análisis del Departamento de Energía de Estados Unidos se ha demostrado que el hidrógeno tiene el potencial de lograr las siguientes reducciones de emisiones:

✔ Vehículos ligeros de carretera: reducción de emisiones de entre 50% y 90% en comparación con los vehículos de gasolina actuales.
✔ Vehículos especiales: más del 35% de reducción de las emisiones en comparación con las carretillas elevadoras diésel y de batería actuales.
✔ Autobuses de tránsito: demostraron ahorros de combustible de aproximadamente 1,5 veces más que los autobuses con motor de combustión interna diésel (ICE). También reducciones a la mitad comparando los autobuses ICE de gas natural.
✔ Unidades de potencia auxiliar: reducción superior al 60% en las emisiones en comparación con el motor del camión al ralentí.
✔ Sistemas combinados de calor y energía: reducción entre el 35% y el 50% en las emisiones en comparación con las fuentes de calor y energía convencionales. Incluso con reducciones superiores al 80%, si se usa biogás o hidrógeno de fuentes bajas o nulas en carbono.

El desafío actual

El mayor desafío para la producción de hidrógeno es reducir su coste de fabricación. La energía del hidrógeno debe ser competitiva en costes respecto a las tecnologías convencionales fosiles. Esto significa que el coste del hidrógeno, independientemente de la tecnología de producción, debe ser inferior a la gasolina o diésel actual.

Para reducir el costo general del hidrógeno, la investigación se centra en mejorar la eficiencia. También están investigando la vida útil de las tecnologías de producción de hidrógeno. Siempre considerando reducir la inversión en el coste de los equipos, las operaciones y el mantenimiento.

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La energía del hidrógeno en las olimpiadas

El hidrógeno estaba pensado que fuera el inicio de los Juegos Olímpicos de Tokio 2020. Serviría para alimentar la antorcha olímpica durante su viaje a través de Japón. El viaje de la antorcha comenzaba en Fukushima y visitaba las 47 prefecturas de Japón antes de la ceremonia de apertura.

Los organizadores de los Juegos Olímpicos de Tokio 2020, acordaron un aplazamiento de un año del evento debido a la pandemia mundial de coronavirus. De esta manera, los Juegos Olimpicos tendrán lugar del 23 de julio al 8 de agosto de 2021

Tokio propone una fascinante novedad: el hidrógeno alimentará la antorcha olímpica en ciertos momentos del relevo durante su travesía a lo largo de Japón. Además, este gas también se utilizará en el pebetero olímpico durante las ceremonias de inauguración y clausura de los Juegos.

Los organizadores tienen como objetivo compensar todas las emisiones de carbono generadas durante los Juegos. También aprovecharían la cita olímpica para generar más conciencia sobre los problemas ambientales en Japón.

El Comité Organizador de Tokio 2020 anunció que ciertas etapas del relevo de la antorcha se utilizaría la energía del hidrógeno. Esta energía renovable no emite dióxido de carbono cuando se quema.

En un comunicado anunciaron que en los preparativos de estas olimpiadas Tokio ha promovido constantemente el ahorro de energía. También ha aumentado el uso de energías renovables para apoyar el objetivo de una sociedad neutral en carbono. Un ejemplo consistía en emplear unos 500 vehículos impulsados por hidrógeno.

Otras iniciativas para reducir el impacto ambiental de los Juegos Olímpicos son:

✔ camas hechas de cartón reciclado en la villa olímpica

✔ medallas fabricadas con productos electrónicos reciclados

✔ los podios de premiación fabricados con plástico reciclado

✔ antorchas desarrolladas con desechos de aluminio

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