Sobre el hidrógeno energético de próxima generación

Introduciremos 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 de los cuales tiene un método de producción diferente. También explicaremos cada método de fabricación, propiedades físicas como elementos, métodos de almacenamiento/transporte y métodos de uso. Y también presentaré por qué es la fuente de energía dominante de próxima generación.

Electrólisis del agua para producir hidrógeno verde

Cuando se utiliza hidrógeno, es importante “producir hidrógeno” de todos modos. La forma más sencilla es “electrolizar el agua”. Quizás lo hiciste en ciencias en la escuela primaria. Llene el vaso con agua y los electrodos en agua. Cuando una batería se conecta a los electrodos y se energiza, ocurren 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. Aún así, este enfoque está bien para experimentos científicos escolares, pero para producir hidrógeno industrialmente, se deben preparar mecanismos eficientes adecuados para la producción a gran escala. Es decir, la “electrólisis de membrana de electrolito polimérico (PEM)”.
En este método, una membrana polimérica semipermeable que permite el paso de iones de hidrógeno se intercala entre un ánodo y un cátodo. Cuando se vierte agua en el ánodo del dispositivo, los iones de hidrógeno producidos por electrólisis se mueven 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 convertirse 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 a través de un separador a través del cual solo pueden pasar iones de hidróxido. Además, existen métodos industriales como la electrólisis con vapor a alta temperatura.
Realizando 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 existe un generador de hidrógeno para la producción a gran escala de este hidrógeno verde. Al utilizar PEM en la sección del electrolizador, se puede producir hidrógeno de forma continua.

Hidrógeno azul elaborado a partir de combustibles fósiles

Entonces, ¿cuáles son otras formas de producir hidrógeno? El hidrógeno existe en los combustibles fósiles como el gas natural y el carbón como sustancias distintas al agua. Por ejemplo, consideremos el metano (CH4), el principal componente del gas natural. Aquí hay cuatro átomos de hidrógeno. Puedes obtener hidrógeno sacándolo.
Uno de ellos es un proceso llamado “reformado de metano con vapor” que utiliza vapor. La fórmula química de este método es la siguiente.
Como puede ver, el monóxido de carbono y el hidrógeno se pueden extraer de una sola molécula de metano.
De esta forma, se puede producir hidrógeno mediante procesos como el “reformado con vapor” y la “pirólisis” del gas natural y el carbón. El “hidrógeno azul” se refiere al hidrógeno producido de esta manera.
Sin embargo, en este caso se producen como subproductos monóxido de carbono y dióxido de carbono. Por eso hay que reciclarlos antes de que sean liberados a la atmósfera. El dióxido de carbono subproducto, si no se recupera, 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.
La cantidad de átomos es la mayor del universo y representa aproximadamente el 90% de todos los elementos del universo. El átomo más pequeño que consta de un protón y un electrón es el átomo de hidrógeno.
El hidrógeno tiene dos isótopos con neutrones unidos al núcleo. Un “deuterio” unido a neutrones y dos “tritio” unidos a neutrones. Estos también son materiales para la generación de energía de fusión.
En el interior de una estrella como el sol se está produciendo 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 como gas en la Tierra. El hidrógeno forma compuestos con otros elementos como agua, metano, amoníaco y etanol. Dado que el hidrógeno es un elemento ligero, a medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de movimiento de las moléculas de hidrógeno y escapa de la gravedad de la Tierra al espacio exterior.

¿Cómo utilizar el hidrógeno? Uso por combustión

Entonces, ¿cómo se utiliza el “hidrógeno”, que ha atraído la atención mundial como fuente de energía de próxima generación? Se utiliza de dos formas principales: “combustión” y “pila de combustible”. Comencemos con el uso de "quemar".
Se utilizan dos tipos principales de combustión.
El primero es como combustible para cohetes. El cohete H-IIA de Japón utiliza como combustible gas hidrógeno, “hidrógeno líquido” y “oxígeno líquido”, que también se encuentra en estado criogénico. Estos dos se combinan, y la energía térmica generada en ese momento acelera la inyección de las moléculas de agua generadas, volando hacia el espacio. Sin embargo, debido a que es un motor técnicamente difícil, a excepción de Japón, sólo Estados Unidos, Europa, Rusia, China e India han combinado con éxito este combustible.
El segundo es la generación de energía. La generación de energía con 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 quema 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 utilizar el hidrógeno? Utilizado como pila de combustible

Otra forma de utilizar el hidrógeno es como pila de combustible, que convierte el hidrógeno directamente en electricidad. En particular, Toyota ha llamado la atención en Japón al promocionar vehículos impulsados ​​por hidrógeno en lugar de vehículos eléctricos (EV) como una alternativa a los vehículos de gasolina como parte de sus contramedidas contra el calentamiento global.
En concreto, estamos haciendo el procedimiento inverso cuando introducimos el método de fabricación del “hidrógeno verde”. La fórmula química es la siguiente.
El hidrógeno puede generar agua (agua caliente o vapor) al mismo tiempo que genera electricidad, y puede evaluarse porque no impone una carga al medio ambiente. Por otro lado, este método tiene una eficiencia de generación de energía relativamente baja del 30-40% y requiere platino como catalizador, por lo que requiere mayores costos.
Actualmente, utilizamos pilas de combustible de electrolitos poliméricos (PEFC) y pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC). En particular, los vehículos de pila de combustible utilizan PEFC, por lo que se puede esperar que se generalice en el futuro.

¿Es seguro el almacenamiento y transporte de hidrógeno?

A estas alturas creemos que ya comprende cómo se produce y utiliza el gas hidrógeno. Entonces, ¿cómo se almacena este hidrógeno? ¿Cómo lo llevas donde lo necesitas? ¿Qué pasa con la seguridad en ese momento? Te lo explicaremos.
De hecho, el hidrógeno también es un elemento muy peligroso. A principios del siglo XX, usábamos hidrógeno como gas para hacer flotar globos, globos y dirigibles en el cielo porque era muy liviano. Sin embargo, el 6 de mayo de 1937, en Nueva Jersey, Estados Unidos, se produjo la “explosión del dirigible Hindenburg”.
Desde el accidente, se ha reconocido ampliamente que el gas hidrógeno es peligroso. Especialmente cuando se incendia, explotará violentamente con oxígeno. Por tanto, “mantener alejado del oxígeno” o “mantener alejado del calor” es fundamental.
Después 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 comprimir como un cilindro al preparar bebidas carbonatadas. Prepare un tanque especial de alta presión y guárdelo en condiciones de alta presión, como 45 Mpa.
Toyota, que desarrolla vehículos de pila de combustible (FCV), está desarrollando un tanque de hidrógeno de resina de alta presión que puede soportar una presión de 70 MPa.
Otro método consiste en enfriarlo a -253°C para producir hidrógeno líquido y almacenarlo y transportarlo en tanques especiales con aislamiento térmico. Al igual que el GNL (gas natural licuado) cuando se importa gas natural del exterior, el hidrógeno se licua 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 enfoque no es adecuado para vehículos de pila de combustible porque requiere mucha energía para enfriarse.
Existe un método para almacenar y enviar en tanques como este, pero también estamos desarrollando otros métodos de almacenamiento de hidrógeno.
El método de almacenamiento consiste en utilizar aleaciones de almacenamiento de hidrógeno. El hidrógeno tiene la propiedad de penetrar los metales y deteriorarlos. Este es un consejo de desarrollo que se desarrolló en los Estados Unidos en la década de 1960. JJ Reilly et al. Los experimentos han demostrado que el hidrógeno se puede almacenar y liberar 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 utilizar esta aleación es que puede prevenir accidentes por fugas de hidrógeno (principalmente accidentes por explosión). Por lo tanto, se puede almacenar y transportar de forma segura. Sin embargo, si no se tiene cuidado y se deja en el entorno inadecuado, las aleaciones de almacenamiento de hidrógeno pueden liberar gas hidrógeno con el tiempo. Bueno, incluso una pequeña chispa puede provocar una explosión, así que ten cuidado.
También tiene la desventaja de que la absorción y desorción repetidas de hidrógeno provocan fragilización y reducen la tasa de absorción de hidrógeno.
La otra es utilizar tuberías. Existe la condición de que no esté comprimido y tenga baja presión para evitar la fragilización de las tuberías, pero la ventaja es que se pueden utilizar tuberías de gas existentes. Tokyo Gas llevó a cabo trabajos de construcción en el Harumi FLAG, utilizando gasoductos urbanos para suministrar hidrógeno a las pilas de combustible.

Sociedad del futuro creada por la energía del hidrógeno

Finalmente, consideremos el papel que puede desempeñar el hidrógeno en la sociedad.
Más importante aún, 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 introducido sistemas como ENE-FARM, que utilizan hidrógeno obtenido reformando gas natural para generar la electricidad necesaria. Sin embargo, persiste la cuestión de qué hacer con los subproductos del proceso de reforma.

En el futuro, si aumenta la circulación del hidrógeno, como por ejemplo aumentando el número de estaciones de servicio de hidrógeno, será posible utilizar electricidad sin emitir dióxido de carbono. La electricidad produce hidrógeno verde, por supuesto, por lo que utiliza electricidad generada a partir de la luz solar o el viento. La energía utilizada para la electrólisis debe ser la energía para suprimir la cantidad de generación de energía o para cargar la batería recargable cuando hay un excedente de energía natural. Es decir, el hidrógeno está en la misma posición que la batería recargable. Si esto sucede, eventualmente será posible reducir la generación de energía térmica. Se acerca el día en que el motor de combustión interna desaparezca de los coches.

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 fabricación de hierro. Si pones este hidrógeno en la distribución, podrás obtener múltiples fuentes. El gas hidrógeno producido de esta manera también lo suministran las 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 los oleoductos, al igual que los tanques de ácido carbónico que se utilizan para fabricar 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 se están volviendo comunes. Será interesante ver ese futuro.