05 octubre 2010

Perspectivas de la economía del hidrógeno

El actual auge de la generación distribuida ha impulsado en todo el mundo un intenso proceso de investigación y desarrollo de las tecnologías que pueden producir energía. Este nuevo escenario ha impulsado denodados esfuerzos en investigación sobre producción, almacenaje y transporte del hidrógeno. Avances significativos se han hecho sobre el almacenaje, lo cual puede señalar el comienzo de la transición de la edad de los combustibles fósiles a la edad del hidrógeno.

Todos los indicios apuntan a que en un futuro próximo el hidrógeno será uno de los combustibles primarios para producir electricidad y mover la economía.

En este nuevo artículo sobre el hidrógeno realizamos una breve descripción de la tecnología y el actual estado de las tendencias de investigación.

El hidrógeno


El hidrógeno tiene un elevado contenido en energía – su densidad de energía es tres veces la de la gasolina, y es un excelente sustitutivo para reemplazar los combustibles basados en hidrocarburos. Cuando se usa para producir energía eléctrica, emite solamente agua y por lo tanto no produce emisiones de gases de efecto invernadero.

El hidrógeno se produce principalmente a partir de fuentes fósiles, es también posible un hidrógeno verde, pero por el momento es una visión lejana que necesita aún muchos años de investigación. Sin embargo, en los últimos años se han producido importantes avances relativos a la aplicación y uso del hidrógeno. Las células de combustible se usan en todo el mundo en equipos como las carretillas elevadoras y en aplicaciones comerciales y de emergencias tanto estacionarias como móviles.

Producción actual del hidrógeno

Actualmente el hidrógeno es producido y distribuido principalmente por las grandes compañías de gas y petróleo. Desde hace muchos años, el hidrógeno se viene utilizando comprimido o licuado para usos industriales. El hidrógeno comprimido se mantiene en depósitos a 5000 y 10 000 psi.

El hidrógeno se obtiene hoy en día de una gran variedad de formas, desde diferentes fuentes, y usando distintas tecnologías. El petróleo, gas natural y carbón contienen hidrógeno, y son una de las principales fuentes de suministro de hidrógeno. Para extraer el hidrógeno de la biomasa y combustibles sólidos se usan procesos termoquímicos.

La abundancia de carbón hace pensar que será fuente principal de obtención de hidrógeno mediante procesos de gasificación, oxidación parcial y reforming autotérmico. Una de las formas más económicas para producir hidrógeno hoy es a través de reforming de vapor – un proceso que usa gas natural como fuente.

Hasta el presente, no existen plantas de producción de hidrógeno verde. Sin embargo, ya están disponibles tecnologías que producen hidrógeno aplicando energía eólica, solar y otras energías renovables. Para producir el hidrógeno se aplica electrolisis y electroquímica para descomponer el agua. Pero dado la intermitencia de sus fuentes de energía, sería importante encontrar un medio para almacenar el hidrógeno.

Almacenamiento y transporte a largo plazo del hidrógeno

El almacenamiento del hidrógeno es un elemento clave a la transición de la economía del hidrógeno.

Pero el hidrógeno no es un combustible estable como la gasolina. Puede ser almacenado como gas comprimido, líquido o común hidruro químico o metálico. El hidrógeno usualmente se distribuye en cilindros al usuario final. El hidrógeno se transporta en camiones de contendores criogénicos.

Los hidruros químicos son compuestos químicos usualmente hechos de un elemento mecánico enlazado con hidrógeno en una reacción química. Muchos hidruros son de interés particular debido a su potencial para almacenamiento de hidrógeno reversible, y se libera a temperaturas y presiones bajas. Los hidruros metálicos complejos tales como los alanatos (AlH_4^-) se han estudiado por sus capacidades de hidrógeno gravimétrico. Las investigaciones actuales están enfocadas a los hidruros que pueden usarse en rangos de baja temperatura.

La ventaja de un hidruro químico es su seguridad y estabilidad. Ni en forma de líquido o de gas es viable el almacenamiento de hidrógeno a largo plazo como transportar energía ya que en ambas formas se requiere una continua aportación de energía. La mayoría de los hidruros, sin embargo, tienen limitaciones en términos de temperatura, condiciones de almacenaje o por ser generados por productos que necesitan un manejo especial.

El camino verde para producir hidrógeno

Pero el camino hacia la economía del hidrógeno pasa por prescindir de los combustibles fósiles como medio para obtener el hidrógeno.

Los investigadores están trabajando con un proceso de plasma a baja temperatura (por debajo de 199 ºC) basado en la transformación de arena y otros reactivos en un compuesto sólido transportador de hidrógeno. El nuevo producto se conoce como polisilano hidrogenado o HPS, y está hecho de átomos de silicio estables enlazados entre sí con átomos de hidrógeno.

Usando tecnología de plasma patentado, arena o dióxido de silicio se transforma en un polímero de silicio de cadena larga con átomos fijados de flúor. Posteriormente, el flúor se reemplaza químicamente por hidrógeno para formar HPS, el transportador de hidrógeno estable. HPS es un polvo sólido y no se descompone a bajas temperaturas. El desafío con hidruros químicos de almacenaje de hidrógeno reversible es que necesitan altas temperaturas de descomposición, lo cual los hace no convenientes para algunas aplicaciones.

HPS no reacciona cuando entra en contacto con agua a temperatura ambiente así que no se descompone rápidamente cuando está expuesto al aire. Puede reaccionar a bajas temperaturas con agua y un catalizador para generar el hidrógeno, que puede suministrarse a las células de combustible u otros dispositivos de energía alimentados con hidrógeno. Los subproductos son hidrógeno, agua y arena.

El dióxido de silicio reacciona con fluoruro de hidrógeno para producir tetrafluoruro de silicio (SiF4) en un proceso químico húmedo convencional. El tetrafluoruro de silicio puede encontrarse también como subproducto de la industria de fertilizantes. El SiF4 es subsiguientemente polimerizado por reducción parcial con hidrógeno en el proceso de plasma.

En relación a otros hidruros metálicos comparables, HPS tiene una muy alta capacidad de liberación de hidrógeno de hasta un 20 % en peso. Este proceso indica que la economía del hidrógeno ha encontrado una forma de almacenar hidrógeno de una forma estable y durante largos periodos de tiempo sin necesidad de presurización o licuefacción. Esto reduce el coste de almacenar el combustible.

La arena puede convertirse en un compuesto transportador de hidrógeno sólido usando energía solar u otras fuentes de energía renovables y luego el hidrógeno se extrae para generar electricidad limpia. Unas veinte patentes se han aprobado para esta tecnología, incluyendo aplicaciones como precursor de las células de combustible.

Bibliografía: The hydrogen economy: Turning potential into energy. Power Engineering November 2009

Palabras clave: Green hydrogen, alanate, hydrogenated polysilane, reversible hydrogen storage chemical hydrides
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