Presentaremos el hidrógeno, la próxima generación de energía neutra en carbono. El hidrógeno se divide en tres tipos: hidrógeno verde, hidrógeno azul e hidrógeno gris, cada uno con un método de producción diferente. También explicaremos cada método de fabricación, sus propiedades físicas como elementos, métodos de almacenamiento/transporte y métodos de uso. Además, explicaré por qué es la fuente de energía dominante de la próxima generación.
Electrólisis del agua para producir hidrógeno verde
Al usar hidrógeno, es importante producirlo. La forma más sencilla es electrolizar el agua. Quizás lo hiciste en la clase de ciencias de primaria. Llena el vaso de precipitados con agua y coloca los electrodos en agua. Cuando se conecta una batería a los electrodos y se energiza, se producen las siguientes reacciones en el agua y en cada electrodo.
En el cátodo, el H+ y los electrones se combinan para producir gas hidrógeno, mientras que el ánodo produce oxígeno. Si bien este método es adecuado para experimentos científicos escolares, para producir hidrógeno industrialmente es necesario desarrollar mecanismos eficientes y adecuados para la producción a gran escala. Esto se conoce como «electrólisis de membrana electrolítica polimérica (PEM)».
En este método, una membrana semipermeable de polímero que permite el paso de iones de hidrógeno se intercala entre un ánodo y un cátodo. Al verter agua en el ánodo del dispositivo, los iones de hidrógeno producidos por electrólisis se desplazan a través de una membrana semipermeable hasta el cátodo, donde se convierten en hidrógeno molecular. Por otro lado, los iones de oxígeno no pueden atravesar la membrana semipermeable y se convierten en moléculas de oxígeno en el ánodo.
También en la electrólisis de agua alcalina, se crea hidrógeno y oxígeno separando el ánodo y el cátodo mediante un separador por el que solo pasan los iones de hidróxido. Además, existen métodos industriales como la electrólisis de vapor a alta temperatura.
Al realizar estos procesos a gran escala, se pueden obtener grandes cantidades de hidrógeno. En el proceso, también se produce una cantidad significativa de oxígeno (la mitad del volumen de hidrógeno producido), por lo que no tendría ningún impacto ambiental adverso si se liberara a la atmósfera. Sin embargo, la electrólisis requiere mucha electricidad, por lo que se puede producir hidrógeno libre de carbono si se produce con electricidad que no utilice combustibles fósiles, como turbinas eólicas y paneles solares.
Se puede obtener “hidrógeno verde” electrolizando agua utilizando energía limpia.
También se cuenta con un generador de hidrógeno para la producción a gran escala de este hidrógeno verde. Mediante el uso de PEM en la sección del electrolizador, se puede producir hidrógeno de forma continua.
Hidrógeno azul elaborado a partir de combustibles fósiles
Entonces, ¿de qué otras maneras se puede producir hidrógeno? El hidrógeno existe en combustibles fósiles como el gas natural y el carbón como sustancias distintas del agua. Por ejemplo, considere el metano (CH₄), el componente principal del gas natural. Aquí hay cuatro átomos de hidrógeno. Se puede obtener hidrógeno extrayéndolo.
Uno de ellos es el proceso denominado «reformado de metano con vapor», que utiliza vapor. La fórmula química de este método es la siguiente.
Como se puede ver, el monóxido de carbono y el hidrógeno se pueden extraer de una sola molécula de metano.
De esta manera, el hidrógeno puede producirse mediante procesos como el reformado con vapor y la pirólisis de gas natural y carbón. El término «hidrógeno azul» se refiere al hidrógeno producido de esta manera.
En este caso, sin embargo, se producen monóxido de carbono y dióxido de carbono como subproductos. Por lo tanto, es necesario reciclarlos antes de que se liberen a la atmósfera. Si no se recupera el dióxido de carbono resultante, se convierte en gas hidrógeno, conocido como «hidrógeno gris».
¿Qué tipo de elemento es el hidrógeno?
El hidrógeno tiene un número atómico de 1 y es el primer elemento de la tabla periódica.
El número de átomos es el mayor del universo, representando aproximadamente el 90% de todos los elementos del universo. El átomo más pequeño, compuesto por un protón y un electrón, es el átomo de hidrógeno.
El hidrógeno tiene dos isótopos con neutrones unidos al núcleo: uno, el deuterio, y dos, el tritio, unidos por neutrones. Estos también son materiales para la generación de energía de fusión.
Dentro de una estrella como el Sol se produce la fusión nuclear de hidrógeno a helio, que es la fuente de energía para que la estrella brille.
Sin embargo, el hidrógeno rara vez existe en forma de gas en la Tierra. Forma compuestos con otros elementos como el agua, el metano, el amoníaco y el etanol. Dado que el hidrógeno es un elemento ligero, al aumentar la temperatura, la velocidad de movimiento de sus moléculas aumenta y escapa de la gravedad terrestre hacia el espacio exterior.
¿Cómo se usa el hidrógeno? Uso por combustión
Entonces, ¿cómo se utiliza el hidrógeno, que ha atraído la atención mundial como fuente de energía de nueva generación? Se utiliza principalmente de dos maneras: mediante combustión y mediante pilas de combustible. Empecemos por el uso de la combustión.
Se utilizan dos tipos principales de combustión.
El primero es como combustible para cohetes. El cohete H-IIA de Japón utiliza hidrógeno líquido y oxígeno líquido, también en estado criogénico, como combustible. Estos dos gases se combinan, y la energía térmica generada acelera la inyección de las moléculas de agua generadas, que vuelan al espacio. Sin embargo, debido a su complejidad técnica, salvo Japón, solo Estados Unidos, Europa, Rusia, China e India han combinado este combustible con éxito.
El segundo es la generación de energía. La generación de energía mediante turbinas de gas también utiliza el método de combinar hidrógeno y oxígeno para generar energía. En otras palabras, es un método que analiza la energía térmica producida por el hidrógeno. En las centrales térmicas, el calor de la combustión de carbón, petróleo y gas natural produce vapor que impulsa las turbinas. Si se utiliza hidrógeno como fuente de calor, la central eléctrica será neutra en carbono.
¿Cómo usar el hidrógeno? Como pila de combustible.
Otra forma de utilizar el hidrógeno es como pila de combustible, que lo convierte directamente en electricidad. En particular, Toyota ha llamado la atención en Japón al promocionar vehículos de hidrógeno en lugar de vehículos eléctricos (VE) como alternativa a los vehículos de gasolina, como parte de sus medidas contra el calentamiento global.
En concreto, aplicamos el procedimiento inverso al introducir el método de fabricación de «hidrógeno verde». La fórmula química es la siguiente.
El hidrógeno puede generar agua (agua caliente o vapor) a la vez que genera electricidad, y es un método que puede evaluarse porque no afecta al medio ambiente. Sin embargo, este método tiene una eficiencia de generación de energía relativamente baja, del 30-40 %, y requiere platino como catalizador, lo que implica un mayor costo.
Actualmente, utilizamos pilas de combustible de electrolito polimérico (PEFC) y pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC). En particular, los vehículos de pila de combustible utilizan PEFC, por lo que cabe esperar su expansión en el futuro.
¿Es seguro el almacenamiento y transporte de hidrógeno?
Creemos que ya comprende cómo se produce y se utiliza el hidrógeno. ¿Cómo se almacena? ¿Cómo se transporta a donde se necesita? ¿Qué hay de la seguridad en ese momento? Se lo explicamos.
De hecho, el hidrógeno también es un elemento muy peligroso. A principios del siglo XX, se utilizaba hidrógeno como gas para hacer flotar globos aerostáticos y dirigibles en el cielo debido a su ligereza. Sin embargo, el 6 de mayo de 1937, en Nueva Jersey, EE. UU., se produjo la explosión del dirigible Hindenburg.
Desde el accidente, se reconoce ampliamente que el gas hidrógeno es peligroso. Especialmente al incendiarse, explota violentamente con el oxígeno. Por lo tanto, es fundamental mantener alejado del oxígeno o del calor.
Luego de tomar estas medidas se nos ocurrió un método de envío.
El hidrógeno es un gas a temperatura ambiente, por lo que, aunque sigue siendo un gas, es muy voluminoso. El primer método consiste en aplicar alta presión y comprimirlo como un cilindro al preparar bebidas carbonatadas. Prepare un tanque especial de alta presión y almacénelo a alta presión, como 45 MPa.
Toyota, que desarrolla vehículos de pila de combustible (FCV), está desarrollando un tanque de hidrógeno de alta presión de resina que puede soportar una presión de 70 MPa.
Otro método consiste en enfriarlo a -253 °C para producir hidrógeno líquido, almacenándolo y transportándolo en tanques especiales con aislamiento térmico. Al igual que el GNL (gas natural licuado), cuando se importa gas natural del extranjero, el hidrógeno se licúa durante el transporte, reduciendo su volumen a 1/800 de su estado gaseoso. En 2020, completamos el primer transportador de hidrógeno líquido del mundo. Sin embargo, este método no es adecuado para vehículos de pila de combustible, ya que requiere mucha energía para enfriarse.
Existe un método de almacenamiento y envío en tanques como éste, pero también estamos desarrollando otros métodos de almacenamiento de hidrógeno.
El método de almacenamiento consiste en utilizar aleaciones de hidrógeno. El hidrógeno tiene la propiedad de penetrar los metales y deteriorarlos. Esta es una técnica de desarrollo desarrollada en Estados Unidos en la década de 1960. JJ Reilly et al. Experimentos han demostrado que el hidrógeno puede almacenarse y liberarse utilizando una aleación de magnesio y vanadio.
Después de eso, desarrolló con éxito una sustancia, como el paladio, que puede absorber hidrógeno 935 veces su propio volumen.
La ventaja de usar esta aleación es que previene accidentes por fugas de hidrógeno (principalmente explosiones). Por lo tanto, se puede almacenar y transportar de forma segura. Sin embargo, si no se tiene cuidado y se deja en un entorno inadecuado, las aleaciones para almacenamiento de hidrógeno pueden liberar gas hidrógeno con el tiempo. Incluso una pequeña chispa puede provocar una explosión, así que tenga cuidado.
También tiene la desventaja de que la absorción y desorción repetidas de hidrógeno conducen a la fragilización y reducen la tasa de absorción de hidrógeno.
La otra opción es usar tuberías. La condición es que no estén comprimidas y tengan baja presión para evitar su fragilización, pero la ventaja es que se pueden usar las tuberías de gas existentes. Tokyo Gas realizó las obras de construcción del sistema Harumi FLAG, utilizando gasoductos urbanos para suministrar hidrógeno a las pilas de combustible.
Sociedad futura creada por la energía del hidrógeno
Por último, consideremos el papel que puede desempeñar el hidrógeno en la sociedad.
Lo más importante es que queremos promover una sociedad libre de carbono: utilizamos hidrógeno para generar electricidad en lugar de energía térmica.
En lugar de grandes centrales térmicas, algunos hogares han implementado sistemas como ENE-FARM, que utilizan hidrógeno obtenido mediante la reforma de gas natural para generar la electricidad necesaria. Sin embargo, persiste la pregunta de qué hacer con los subproductos del proceso de reforma.
En el futuro, si aumenta la circulación del hidrógeno, por ejemplo, aumentando el número de estaciones de servicio, será posible utilizar electricidad sin emitir dióxido de carbono. La electricidad produce hidrógeno verde, por supuesto, ya que utiliza la electricidad generada por la luz solar o el viento. La energía utilizada para la electrólisis debería ser la necesaria para suprimir la generación de energía o para cargar la batería recargable cuando exista un excedente de energía natural. En otras palabras, el hidrógeno se encuentra en la misma posición que la batería recargable. Si esto sucede, con el tiempo será posible reducir la generación de energía térmica. El día en que el motor de combustión interna desaparezca de los automóviles se acerca rápidamente.
El hidrógeno también se puede obtener por otra vía. De hecho, el hidrógeno sigue siendo un subproducto de la producción de sosa cáustica. Entre otras cosas, es un subproducto de la producción de coque en la industria siderúrgica. Si se distribuye este hidrógeno, se podrán obtener múltiples fuentes. El gas hidrógeno producido de esta manera también se suministra mediante hidrogeneras.
Miremos más hacia el futuro. La cantidad de energía perdida también es un problema con el método de transmisión que utiliza cables para suministrar energía. Por lo tanto, en el futuro, utilizaremos el hidrógeno suministrado por tuberías, al igual que los tanques de ácido carbónico utilizados para elaborar bebidas carbonatadas, y compraremos un tanque de hidrógeno en casa para generar electricidad para cada hogar. Los dispositivos móviles que funcionan con baterías de hidrógeno son cada vez más comunes. Será interesante ver un futuro así.
Hora de publicación: 08-jun-2023
