Métodos de producción de hidrógeno: tecnologías y eficiencia

Aunque hay mucho hidrógeno en el universo, el hidrógeno libre no se encuentra fácilmente en la Tierra. Aquí se une a moléculas, las más comunes son el agua (H2O) y los hidrocarburos, especialmente el metano (CH4). Entonces, para crear hidrógeno libre, estas moléculas deben dividirse. De esta forma, generan energía que luego puede recuperarse recombinándose con oxígeno para formar agua.

Por lo tanto, el hidrógeno se describe como un vector energético más que como una fuente de energía primaria. ¿Cómo se puede obtener hidrógeno? Hay muchas formas de utilizar diferentes fuentes de energía primaria, que pueden ser en forma de luz, calor, electricidad o una combinación de estas fuentes. Esta publicación de blog es demasiado limitada para cubrir todos los métodos de producción de hidrógeno, por eso, sólo trataremos los métodos más usados actualmente.

Métodos de producción de hidrógeno

El primer método, y con diferencia el más versátil, es el reformado con vapor de gas natural, comúnmente conocido como reformado con vapor de metano (SMR). En este caso, el vapor y el gas natural tratados para eliminar impurezas se calientan juntos a alta presión a ~900°C sobre un catalizador a base de níquel. El resultado es una mezcla de monóxido de carbono (CO) e hidrógeno, conocida como gas de síntesis. El gas de síntesis se procesa aún más en una reacción gas-agua para producir más hidrógeno y dióxido de carbono (consulte el recuadro para obtener más detalles).

Actualmente, el CO2 producido se libera a la atmósfera, pero puede utilizarse como subproducto, como en la industria de procesamiento y envasado de alimentos, donde eventualmente se libera nuevamente a la atmósfera. El proceso de reformado con vapor genera el calor necesario para alimentar la reacción de combustión del gas natural, creando más CO2.

Oxidación parcial de metano

Otra forma de proporcionar calor para la reacción de reformado con vapor es mediante un proceso llamado oxidación parcial de metano. Este método de producción de hidrógeno libera calor durante la reacción. La reacción de oxidación parcial se puede combinar con la reacción de reformado con vapor para producir lo que se llama reformado autotérmico (ATR).

Debido a que no se requiere calor externo, es un proceso de reformado más compacto y eficiente, lo que significa menores costes y una menor huella de carbono. Para descarbonizar estos procesos basados ​​en metano, el CO2 capturado debe capturarse y almacenarse en una instalación de almacenamiento geológico. Los proyectos de captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS) implican inyectar CO2 en depósitos geológicos, como campos de petróleo y gas agotados. Un ejemplo es el desarrollo de la red de hidrógeno HyNet en el noroeste del Reino Unido.

El método de producción de hidrógeno verde

Un método alternativo que se promueve activamente es la producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua, especialmente si se pueden utilizar energías renovables. La electrólisis se puede realizar con agua a baja temperatura mediante electrolizadores alcalinos o PEM o con vapor de alta temperatura mediante electrolizadores de óxido sólido como en el proyecto GrinHy2.0.

La electrólisis a alta temperatura es más fácil de integrar en los procesos industriales, especialmente cuando hay calor residual disponible, y se pueden lograr eficiencias de proceso muy altas. Actualmente, solo el 2% del hidrógeno producido a nivel mundial se produce mediante electrólisis debido a limitaciones de costes. Esto cambiará significativamente a medida que las tecnologías de electrólisis se desarrollen rápidamente para lograr este objetivo.

Un ejemplo de ello es la planta de fertilizantes de Fertiberia donde se ha construido una planta de producción de hidrógeno verde diseñada para la producción de amoniaco. La instalación incluye una planta fotovoltaica (100 MW), una planta de baterías y un sistema PEM para producir hidrógeno verde mediante electrólisis a partir de fuentes 100% renovables. El hidrógeno verde se utilizará en la planta de fertilizantes de Fertiberia en Puertollano, convirtiéndose en un referente europeo del sector en la producción de amoniaco verde a gran escala.

Eficiencia según tecnologías de producción de hidrógeno

Los diferentes métodos de producción de hidrógeno pueden ser más o menos adecuados dependiendo de la naturaleza de los procesos asociados y de los requerimientos de la demanda.

Por ejemplo, los procesos a base de agua se caracterizan por presentar mayor pureza en el hidrógeno producido, debido a que los a base de hidrocarburos suelen implicar trazas de monóxido de carbono debido a la clase de reacciones que se llevan a cabo en sus reactores.

Sin embargo, un factor crucial a considerar es la eficiencia de cada proceso. La eficiencia tiene relación directa en sus costes asociados haciendo algunos métodos más competitivos que otros.

Comparativa por materias primas

En la tabla se recopilan las principales tecnologías de producción de hidrógeno clasificados por la materia prima. Estos datos nos permiten mostrar que si bien las tecnologías en base a hidrocarburos presentan las mayores eficiencias, las tecnologías más limpias siguen teniendo rendimientos competitivos debido a su característica de no producir subproductos indeseados. Por lo tanto, no implican costes adicionales por captación o tratamiento de gases, ni están sujetas a penalizaciones como las sanciones por contaminación o emisiones de carbono.

De hecho, debido a que un ciclo de producción libre de carbono podría eventualmente desplazar tecnologías más contaminantes. Se puede considerar que estos métodos provocan una reducción en la huella de carbono de ciertos procesos. Una ventaja económica es que existe hoy en día más de un método de incentivar las tecnologías libres de emisiones como son por ejemplo los bonos de carbón.

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