PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO

Central termosolar española PS.10

Hemos visto en anteriores entradas que el hidrógeno se convertirá en la principal forma de transportar energía para lograr la necesaria electrificación del transporte. Pero el hidrógeno no es una fuente de energía, su función es servir de vector energético. De ahí se deduce que el hidrógeno será tan respetuoso con el medio ambiente como lo sea la fuente energética utilizada para su obtención.

Métodos de obtención:

1. Reformado de gas natural con vapor de agua: El hidrógeno se produce en la actualidad casi en su totalidad del gas natural, porque es la forma más económica de fabricarlo, simplemente hay que romper los enlaces de la molécula de metano (CH4) y convertirlo en CO2 y H2 en dos etapas. La primera es la transformación en una mezcla de CO y H2 (gas de síntesis), y la posterior converisión de monóxido a dióxido, aumentando la producción de hidrógeno mediante la reacción de gas de agua
 (CO + H2O =>CO2 + H2). La transformación tiene lugar a elevada presión y temperatura lo que tiene su coste energético. La eficacia global de conversión es del 65%. Este metodo también se puede emplear con las facciones ligeras del petróleo o alcoholes, auqnue aumentado la emisión de CO2 a la atmósfera. En la actualidad el 99% del hidrógeno se produce industrialmente siguiendo los metodos 1 y 2.

2. Gasificación del carbón y facciones pesadas del petróleo: La obtención desde el carbón sería la opción más deseada por los norteamericanos que son la primera potencia mundial en producción y reservas de carbón. Aunque sin duda es la opción ¡menos ecológica! Para lograrlo primero habría que regasificar el carbón. Es decir la obtención de metano mediante la aplicación de calor y vapor de agua (carbón+vapor de agua= metano). Una vez obtenido el metano se sigue el procedimiento que ya expusimos (metano= carbón + hidrógeno). Las reacciones principales son la pirólisis y la oxidación parcial. Este tipo de reacciones tambien son aplicables a la biomasa con lo que las emisiones totales de CO2 se compensan.

3. Procesos termoquímicos: Se basan en la utilización del calor para provocar la disociación del agua en hidrógeno y oxígeno. Aunque un tratamiento purametne térmico resulta inviable pues se necesitan alcanzar temperaturas proximas a los 3000ºC. De todos modos, si queremos evitar el cambio climático y la excesiva dependencia de los combustibles fósiles, tenemos que encontrar un modo alternativo de producción. Las centrales nucleares de IV Generación serán una buena opción ya que al funcionar a temperaturas elevadas (superiores a los 900ºC) facilitan la producción mediante ciclos de reacciones químicas:

Métodos de producción de H2 en centrales nucleares de alta temperatura:

• Sulfur-Iodine, GA, JAERI, Sandia and others
–850oC 2 H2SO4-> 2 SO2 + 2 H2O + O2
–450oC 2 HI-> I2 + H2
–120oC I2 + SO2 + 2 H2O-> 2 HI + H2SO4
Se trata de un proceso cíclico en el que el ácido sulfúrico y el yodo hacen de cataliza- dores, y no se consumen. En el ciclo sólo entra agua y energía y sale hidrógeno y oxígeno.

• UT-3, University of Tokyo
–600oC 2Br2 + 2CaO-> 2CaBr2 + O2
–600oC 3FeBr2 + 4H2O-> Fe3O4 + 6HBr + H2
–750oC CaBr2 + H2O-> CaO + 2HBr
–300oC Fe3O4 + 8HBr-> Br2 + 3FeBr2 + 4H2O
Otro ciclo, semejante al anterior pero utilizando como catalizadores el óxido férrico, la cal y el bromo. Su ventaja sobre el anterior es que puede realizarse con una temperatura más baja, 750 ºC.

Pero las nucleares se enfrentan a muchos problemas y entre ellos, el principal, la aceptación pública.

4. Electrolísis a partir de energías renovables (hidráulica, eólica, fotovoltaica, geotérmica, solar térmica). Es la opción con mejor opinión pública pero con los costes de explotación más caros, tanto que la hace prácticamente inviable. En todos los casos lo que se utiliza es la electricidad obtenida para producir el hidrógeno directamente del agua mediante electrolísis. El rendimiento es muy elevado 65-85% y el hidrógeno así obtenido se encuentra libre de CO2 y de otros gases contaminantes. El problema de la electrolísis es que es muy intensiva energéticamente hablando y necesita de carísimos catalizadores como el platino. Ello subiría el coste del kg de hidrógeno a unos niveles que lo hacen prácticamente inviable desde el punto de vista económico.

Sin embargo entre las energías renovables existe una excepción, la solar térmica de concentración alcanza también temperaturas muy elevadas (semejantes a las de las centrales nucleares de nueva generación), por lo que podrían ser una opción a tener en cuenta. Con una central solar térmica se pueden obtener 175 GWh/km2 al año, con un rendimiento apreciable que se sitúa entre un 20% y un 30%. Eso supone que con una superficie de unos 600.000 km2 se podría generar el hidrógeno necesario para reemplazar al petroleo en el transporte mundial.

Pero hay que tener en cuenta que esa superficie equivale a la extensión de toda la península Ibérica, y que las plantas habría que instalarlas en lugares desérticos conformados por amplias llanuras (de escasa pendiente), para conseguir que fueran rentables. Con el método solar gran parte de nuestro suministro energético seguiría dependiendo de países extranjeros no necesariamente estables o amistosos.

5. Fotoprocesos: Conjuntod de procesos que tiene en común la radiación solar para producir hidrógeno a partir de agua o de biomasa. Las técnicas fotovoltáicas se basan en el ciclo de la fotosíntesis de las plantas, algunas bacterias y algas. El problema que plantean estos métodos son los mismos que tubo que resolver la naturaleza en su momento. La mayor parte de las enzimas capaces de catalizar la disociación del agua se inhiben en presencia de O2. Todos los fotoprocesos, tanto los de origen bioquímico como los fotovoltáicos presentan eficiencias muy bajas, inferiores al 15%.

AUTOMÓVIL DE HIDRÓGENO: CÉLULAS DE COMBUSTIBLE

Ya resulta comúnmente aceptado que el único modo de reducir los gases de efecto invernadero y la excesiva dependencia del petróleo pasa por electrificar nuestro transporte. Pero como vimos en el post sobre ELECTRIFICACIÓN DEL TRANSPORTE eso no es una tarea fácil. El problema sigue siendo, cómo conseguir un método económico, ligero y eficiente de almacenar electricidad. Mientras las distintas tecnologías de baterías estan demostrando ser aún inadecuadas para cubrir las necesidades del transporte, hay que buscar otras soluciones.

Volver a utilizar el caballo, como en una ocasión escuche de boca de un ecologista no es una solución ecológica. Los caballos al igual que las vacas expulsan metano como consecuencia de sus procesos de digestión metabólica, y el metano contribuye cuatro veces más que el dióxido de carbono al efecto invernadero. ¿Se imaginan un pestilente mundo con millones de caballos defecando en ciudades como Paris, Nueva York o Madrid?

Una alternativa más realista es el automóvil de hidrógeno. El hidrógeno puede convertirse en electricidad en una célula de combustible, expulsando por el escape tan solo vapor de agua. Esa agua sería tan pura que incluso se podría beber. Las células de combustible tienen unos rendimientos de conversión de hidrógeno a electricidad muy apreciables y dependiendo del tipo ronda el 45%, aunque puede llega hasta el 65%. Si a eso unimos que el rendimiento de un motor eléctrico está en torno al 95 – 99%, el rendimiento total del conjunto es muy elevado. Y más aún si lo comparamos con el que tiene un motor de explosión, que rara vez alcanza el 20%.

Las células de combustible no son más que una serie de membranas semipermeables que permiten la generación de electricidad mediante un proceso electroquímico. La energía eléctrica se genera por oxidación electroquímica del hidrógeno, mediante el paso de iones positivos entre la molécula de hidrógeno y la de oxígeno, eso genera una diferencia de potencial entre los electrodos obteniéndose electricidad. Dependiendo del electrolito se distinguen se distinguen diferentes tipos de células de combustible: membranas de intercambio de protones, disoluciones alcalinas, ácido fosfórico, carbonatos fundidos y óxidos sólidos. Las pilas de combustible suelen operar con voltajes muy bajos que van de los 0,6 a los 0,8 V, mientras que la temperatura de funcionamiento viene determinada por el tipo de electrolito. Las pilas más comunes, de membranas de polímero (PEM) operan a temperaturas comprendidas entre os 60ºC  y los 80ºC, mientras que las pilas de óxidos sólidos necesitan elevadas temperaturas que pueden alcanzar los 1000ºC.

Sin embargo, las células de combustible y el hidrógeno tienen su propia problemática intrínseca que habrá que resolver en los próximos años, antes de que sean comunmente comercializables. Los principales problemas que presenta son su durabilidad y elevado coste. El problema radica en que es necesario el carísimo platino (165 dólares el gramo) para que actue como catalizador en la reacción entre el oxígeno y el hidrógeno en las pilas tipo PEM. Eso eleva por las nubes el coste de cada célula. Muchos equipos de investigación científica se afanan por todo el mundo para tratar de salvar este escollo. ¿Cómo conseguir un catalizador fiable y eficiente que a su vez sea económico? Sin duda el que lo logre habrá conseguido un gran avance para la tecnología, pero también, una patente que vale su peso en oro. ¡Todas las compañías automovilistas del mundo querrán comprarla!

Aunque iré exponiendo en el futuro los avances que se vayan sucediendo en este sentido (todos los meses hay noticias), expongo aquí uno de los últimos. Se trata de un equipo de investigadores de Quebec (Canadá), que ha presentado una fórmula que utiliza hierro insertado dentro de minúsculos poros formados por una estructura de carbono. La sustancia de base férrica logra un rendimiento próximo al 10% del que se consigue con el platino. ¡No es mucho, pero por algo se empieza! Incluso siendo un porcentaje tan bajo, resulta 35 veces superior a otros procedimientos experimentales anteriores.