El hidrógeno (H) en estado puro, como transportador de energía no está presente en la naturaleza, pero existe asociado a otras estructuras. Por ese motivo no puede ser explotado como el petróleo o el carbón, debiendo ser obtenido o generado a partir de otros compuestos químicos. Este es el motivo por el cual los científicos lo denominan como transportador (carrier) secundario de energía.
El mejor ejemplo de un compuesto de H es el agua, que está formada por dos átomos de H y uno de oxígeno. Pero también hay muchas otras substancias que contienen H.Muchos compuestos orgánicos son combinación de carbón e hidrógeno. Un ejemplo es el gas natural (constituido principalmente por metano = CH4) que consiste en un átomo de carbón = C y cuatro de hidrógeno = H.
El reino vegetal consiste en compuestos orgánicos constituidos por carbono e H, por ejemplo residuos conteniendo biomasa en forma de restos de plantas, desechos de maderas de los bosques o especies cultivadas especialmente para las usinas de energía, como la colza o determinadas pasturas. Independientemente del origen donde esté contenido el H, siempre se obtiene mediante un proceso, para el cual es necesario aplicar energía. Esta podría seruna ventaja del uso del H ya que para su obtención no es necesario emplear energía proveniente de combustibles fósiles o fuentes sucias. Las energías eólica, solar, hidráulica y geotérmica son fuentes primarias ideales para ello.
La producción de H no es novedosa. Actualmente el mundo entero produce, almacena, transporta y usa 500 mil millones de metros cúbicos (millardos ó 109 m³) por año. Eso sucede en su mayor proporción en las industrias química y petroquímica. Se ha convenido, en función del grado de limpieza de la fuente de donde se obtenga, denominarlo con el adjetivo de un color. Así por ejemplo si la fuente es agua se la denomina “Hidrógeno azul”, si procede de la biomasa se lo llama “Hidrógeno verde” y si fuera de hidrocarburos como el gas natural se lo conoce como “Hidrógeno negro”.
Las formas tradicionales de separación u obtención son:
a) Por electrólisis. La conductividad del agua se aumenta añadiendo un electrolito.
b) Por desplazamiento. Con metales: Na, K, Ca en agua líquida o bien Mg, Zn, Fe en vapor.
c) Del gas de agua, del gas natural y como subproducto de la fabricación de coque.
d) De la biomasa.
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La mayor parte de los 500 MMm³ (millardos de m³) de producción mundial anual e
generada a partir de fuentes fósiles (gas natural, petróleo, etc.) o es obtenida como subproducto H en procesos químicos. Gran cantidad es obtenida por electrólisis de cloro – álcalis y de procesos de refinado de petróleo.
La obtención de H como subproducto de otros procesos químicos alcanza los 190 MMm³ anualmente en todo el mundo. Los procesos para generar H de combustibles fósiles (H negro) son los siguientes:
Reformado con vapor (steam reforming)
Este reformado consiste en una conversión catalítica endotérmica de hidrocarburos livianos (metano, nafta, etc.) en presencia de vapor de agua sobrecalentado. En este proceso de conversión se producen H, CO2, como también metano (CH4) y monóxido de carbono (CO). El CO reacciona con el vapor de agua para generar CO2 e Hidrógeno en un proceso al que se denomina “shift reaction”. El CO2 y otros componentes indeseados son separados posteriormente de la mezcla de gases mediante la absorción de membranas separadoras.La reacción global es: CH4 + 2 H2O = CO2 + 4 H2El gas residual así separado, que contiene alrededor del 60% de componentes combustibles (H, CH4, CO) es usado como combustible en el reformador, junto con una parte de gas de admisión.La generación de H en gran escala se efectúa en reformadores de vapor con capacidades de producción de 100.000 m³ por hora..
Oxidación parcial
La oxidación parcial es una conversión térmica de hidrocarburos pesados (como por ejemplo residuos de refinado de aceite o diesel oil) con oxígeno y en ocasiones con vapor de agua adicional. Las cantidades de oxígeno e H, producidas por este método, están señalando que la gasificación sin aportes energía externa es viable. El proceso de generación de H a partir del carbón de piedra también es factible.
Procedimientos de obtención modernos
Potencialmente es posible la generación de H sin producir emisiones de CO2 mediante procesos modernos a partir del gas natural (GN) usando energía eléctrica. Desde los comienzos de los ’80 se está desarrollando el proceso de plasma-arco el cual a 1600º C desdobla hidrocarburos en H y carbón activado (clean coal). Este proceso no origina emisiones considerables pero requiere, además de las fuentes primarias de energía (petróleo o gas natural), energía eléctrica y agua de enfriamiento.Desde Abril de 1992, una planta piloto en operación genera 500 kg/h de carbón activado y 2.000 Nm³ /h de H a partir de 1.000 Nm³ / h de gas natural y 2.100 kWe. Como producto secundario se obtiene vapor sobrecalentado con una potencia de 1000 KW. Considerando la potencialidad de todos los productos empleados, la planta opera con una eficiencia de casi el 100%. De este producido, alrededor del 48% es contenido de H, 10% lo constituye el vapor recalentado y el 40% restante resulta carbón activado.
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Aspectos generales
Para generar H a partir del agua, la electrólisis es actualmente y en un futuro previsible, el único proceso de significación entre las distintas alternativas posibles. La electrólisis alcalina que ha sido empleada comercialmente por más de 80 años. Una gran ventaja de este método de obtención es que permite la obtención del H en estado puro.
Como la generación de H por medio de electrólisis del agua usa energía eléctrica, este proceso es económico solamente en aquellas regiones del planeta donde la energía eléctrica pueda ser producida en forma muy económica. Este es el caso de las grandes plantas hidroeléctricas.
Otra forma económica es mediante la generación eoloeléctrica.
Al mismo costo de la electricidad el proceso electrolítico es más caro que el reformado de gas natural con vapor antes descrito (steam reforming), pero es absolutamente limpio y además permite el aprovechamiento del oxígeno producido también en forma pura para múltiples usos, incluidos los medicinales.
El proceso consiste básicamente en hacer circular corriente continua en una celda electrolítica a través de electrodos metálicos separados por una membrana porosa o por un electrolito conductor ionizado. La reacción producida se expresa como: 2 H2O = 2 H2 + O2.
La descomposición del agua por medio de la electrólisis tiene lugar en dos reacciones parciales en ambos electrodos.
En el electrodo negativo (cátodo) se produce H y en el electrodo positivo (ánodo) se genera oxígeno. El intercambio necesario de carga se produce por medio de la conducción iónica.
Para permitir la producción de ambos gases en forma separada, los dos compartimientos reactivos se separan por un separador de iones (diafragma).
La energía para la ruptura del agua es provista por la electricidad.
Producción Biológica › Subir
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Existen distintos procesos biológicos en los que el H es liberado o producido como un producto intermedio. En principio se pueden distinguir dos tipos diferentes de procesos: la fotosíntesis que requiere luz y la fermentación que tiene lugar en la oscuridad. El H es producido por algas en el primer caso y por microorganismos en la fermentación.Estos métodos de generación de H están aún en estado de desarrollo ya que poseen eficiencias extremadamente bajas, pero existen opciones complementarias para una economía del H futura.
Generación a partir de biomasa. Aspectos generales
En ciertos tipos de fermentación anaeróbica de hidratos de carbono producida por bacterias específicas se desprende H libre. Las tecnologías para la generación de H a partir de biomasa no están lejos de estar disponibles comercialmente. Dependiendo del tipo de proceso, existen distintos estadios de investigación y desarrollo.
Los expertos distinguen los siguientes métodos para la generación de H: conversión de biomasa consistente (por ejemplo pellets de cultivos, residuos sólidos de biomasa), fermentación de biomasa como abono líquido y generación biológica del H.
El aspecto seductor de la generación de H directamente a partir de biomasa es que la obtención del H es efectuada de las mismas fuentes de energía renovables sin efectuar el rodeo de convertir –previamente- la energía contenida en la biomasa en electricidad (necesaria para la electrólisis). Por este medio es posible alcanzar un muy eficiente sistema con un balance energético general positivo.
Para la producción de H a partir de biomasa existen cuatro procesos termoquímicos y cinco procesos bioquímicos. En general los procesos termoquímicos son de alta eficiencia y escala, con costos de alimentación onerosos. Por el contrario, los procesos bioquímicos son de baja y media escala, menor eficiencia y se encuentran a nivel de laboratorio y plantas piloto.
Efectuada la introducción precedente que permite distinguir los distintos procesos de conversión de la biomasa en general, es interesante tener en cuentala producción de H a partir de biomasa, ya que en el largo plazo, ante la disminución de existencia de combustibles fósiles, sólo existirá disponibilidad de fuentes primarias de energías renovables como biomasa, eólica, solar, geotérmica e hidráulica. |
