La importancia del 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 energías renovables emergentes.

¿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

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 energía con hidrógeno

Reactores 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 con 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

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