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Articulo de referencia

Producción de hidrógeno

El hidrógeno gaseoso se produce mediante varios métodos industriales. [ 1 ] Casi todo el suministro mundial actual de hidrógeno se crea a partir de combustibles fósiles. [ 2 ] [...

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El hidrógeno gaseoso se produce mediante varios métodos industriales. [ 1 ] Casi todo el suministro mundial actual de hidrógeno se crea a partir de combustibles fósiles. [ 2 ] [ 3 ] La mayor parte del hidrógeno es hidrógeno gris producido mediante reformado de metano con vapor . En este proceso, el hidrógeno se produce a partir de una reacción química entre vapor y metano , el componente principal del gas natural. Producir una tonelada de hidrógeno mediante este proceso emite entre 6,6 y 9,3 toneladas de dióxido de carbono. [ 4 ] Cuando se utiliza la captura y almacenamiento de carbono para eliminar una gran fracción de estas emisiones, el producto se conoce como hidrógeno azul . [ 5 ]

El hidrógeno verde se entiende generalmente como aquel producido a partir deelectricidad renovable mediante la electrólisis del agua. [ 6 ] [ 7 ] Con menos frecuencia, las definiciones de hidrógeno verde incluyen el hidrógeno producido a partir de otras fuentes de bajas emisiones, como la biomasa . [ 8 ] Actualmente, producir hidrógeno verde es más caro que producir hidrógeno gris, y la eficiencia de la conversión de energía es inherentemente baja. [ 9 ] [ 10 ] Otros métodos de producción de hidrógeno incluyen la gasificación de biomasa , la pirólisis de metano , la extracción de hidrógeno natural subterráneo, [ 11 ] [ 12 ] y la síntesis de hidrógeno in situ . [ 13 ] [ 14 ]

A partir de 2023, menos del 1% de la producción dedicada de hidrógeno es baja en carbono, es decir, hidrógeno azul, hidrógeno verde e hidrógeno producido a partir de biomasa. [ 15 ]

En 2020, se produjeron aproximadamente 87 millones de toneladas de hidrógeno [ 16 ] en todo el mundo para diversos usos, como el refinado de petróleo , la producción de amoníaco mediante el proceso Haber y la producción de metanol mediante la reducción de monóxido de carbono . El mercado mundial de generación de hidrógeno se valoró en 155 mil millones de dólares estadounidenses en 2022 y se esperaba que creciera a una tasa de crecimiento anual compuesta del 9,3 % entre 2023 y 2030. [ 17 ]

Descripción general

Se descubrió hidrógeno molecular en el pozo superprofundo de Kola . No está claro cuánto hidrógeno molecular hay disponible en los yacimientos naturales, pero al menos una empresa [ 18 ] se especializa en perforar pozos para extraer hidrógeno. La mayor parte del hidrógeno en la litosfera está unido al oxígeno del agua.

La producción de hidrógeno elemental requiere el consumo de un portador de hidrógeno, como un combustible fósil o agua. El primer portador consume el recurso fósil y, en el proceso de reformado de metano con vapor (SMR), produce dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero. Sin embargo, en el proceso más reciente de pirólisis de metano no se produce dióxido de carbono. Estos procesos generalmente no requieren ningún aporte energético adicional más allá del combustible fósil.

Ilustración de las entradas y salidas del reformado con vapor de gas natural, un proceso para producir hidrógeno. Datos de 2020.La etapa de secuestro de carbono no se utiliza comercialmente.

La descomposición del agua, el último portador, requiere un aporte de electricidad o calor, generado a partir de alguna fuente de energía primaria (combustible fósil, energía nuclear o energía renovable ). El hidrógeno producido por electrólisis del agua utilizando fuentes de energía renovables como la energía eólica y solar se denomina hidrógeno verde . [ 19 ] Cuando se obtiene del gas natural mediante pirólisis de metano con cero emisiones de gases de efecto invernadero, se denomina hidrógeno turquesa. [ 20 ]

Cuando el hidrógeno derivado de combustibles fósiles produce emisiones de gases de efecto invernadero , generalmente se le denomina hidrógeno gris . Si se captura la mayor parte de las emisiones de dióxido de carbono, se le denomina hidrógeno azul. [ 21 ] El hidrógeno producido a partir del carbón puede denominarse hidrógeno marrón o negro. [ 22 ]

Clasificación basada en el método de producción

El hidrógeno suele representarse con distintos colores para indicar su origen (quizás porque el gris simboliza el "hidrógeno sucio" [ 23 ] ). [ 24 ] [ 25 ] [ 12 ]

Métodos de producción actuales

Reformado con vapor: gris o azul

El hidrógeno se produce industrialmente mediante reformado con vapor (SMR), que utiliza gas natural. [ 34 ] El contenido energético del hidrógeno producido es de aproximadamente el 74 % del contenido energético del combustible original, [ 35 ] ya que parte de la energía se pierde en forma de calor residual durante la producción. En general, el reformado con vapor emite dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, conocido como hidrógeno gris. Si el dióxido de carbono se captura y almacena, el hidrógeno producido se denomina hidrógeno azul.

El reformado de metano con vapor (SMR) produce hidrógeno a partir de gas natural, principalmente metano (CH₄ ) , y agua. Es la fuente más económica de hidrógeno industrial, y representa casi el 50 % del hidrógeno mundial. [ 36 ] El proceso consiste en calentar el gas a 700–1100 °C (1300–2000 °F) en presencia de vapor sobre un catalizador de níquel . La reacción endotérmica resultante forma monóxido de carbono e hidrógeno molecular (H₂ ) . [ 37 ]  

En la reacción de desplazamiento del gas de agua , el monóxido de carbono reacciona con vapor para obtener cantidades adicionales de H₂ . La WGSR también requiere un catalizador, generalmente sobre óxido de hierro u otros óxidos . El subproducto es CO₂ . [ 37 ] Dependiendo de la calidad de la materia prima (gas natural, nafta , etc.), una tonelada de hidrógeno producida también producirá de 9 a 12 toneladas de CO₂ , un gas de efecto invernadero que puede ser capturado . [ 38 ]

Para este proceso, el vapor a alta temperatura (H₂O ) reacciona con el metano (CH₄ ) en una reacción endotérmica para producir gas de síntesis . [ 39 ]

CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂

En una segunda etapa, se genera hidrógeno adicional a través de la reacción de desplazamiento del gas de agua , exotérmica y de menor temperatura , que se lleva a cabo a unos 360 °C (680 °F) :  

CO + H₂O → CO₂ + H₂

Básicamente, el átomo de oxígeno (O) se extrae del agua adicional (vapor) para oxidar el CO a CO₂ . Esta oxidación también proporciona la energía necesaria para mantener la reacción. El calor adicional requerido para impulsar el proceso generalmente se obtiene mediante la combustión de una parte del metano.

Reforma de metano con vapor electrificada

En mayo de 2019, Science publicó los resultados de un estudio danés en el que el catalizador de estaño se calienta eléctricamente. Esto reduce el consumo de gas natural (y las emisiones de CO2) en un tercio, mientras que la mejora en el calentamiento aumenta la eficiencia general. El SMR necesita 4,2 kWh/Nm3 H2, el eSMR 3,6 kWh/Nm3 H2 (2,6 kWh de gas natural y 1,0 kWh de electricidad). [ 40 ]

Del agua

Los métodos para producir hidrógeno sin utilizar combustibles fósiles implican la disociación del agua , es decir, la separación de la molécula de agua (H₂O ) en sus componentes, oxígeno e hidrógeno. Cuando la fuente de energía para la disociación del agua es renovable o de bajas emisiones de carbono, el hidrógeno producido se denomina a veces hidrógeno verde . La conversión puede realizarse de diversas maneras, pero todos los métodos se consideran actualmente más costosos que los métodos de producción basados ​​en combustibles fósiles.

Electrólisis del agua: verde, rosa o amarilla.

El hidrógeno se puede producir mediante electrólisis a alta presión , electrólisis a baja presión del agua o una variedad de otros procesos electroquímicos emergentes, como la electrólisis a alta temperatura o la electrólisis asistida por carbono. [ 41 ] Sin embargo, los mejores procesos actuales para la electrólisis del agua tienen una eficiencia eléctrica efectiva del 70-80%, [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] de modo que producir 1  kg de hidrógeno (que tiene una energía específica de 143 MJ/kg o alrededor de 40 kWh/kg) requiere 50–55 kWh de electricidad.

En algunas partes del mundo, el reformado de metano con vapor tiene un costo promedio de entre 1 y 3 dólares por kilogramo, sin incluir el costo de presurización del hidrógeno gaseoso. Esto hace que la producción de hidrógeno mediante electrólisis sea competitiva en costos en muchas regiones, como lo señalan Nel Hydrogen [ 45 ] y otros autores, incluyendo un artículo de la IEA [ 46 ] que examina las condiciones que podrían generar una ventaja competitiva para la electrólisis.

Una pequeña parte (2% en 2019 [ 47 ] ) se produce por electrólisis utilizando electricidad y agua, consumiendo aproximadamente de 50 a 55  kilovatios-hora de electricidad por kilogramo de hidrógeno producido. [ 48 ]

Gráfico de producción de hidrógeno mediante electrólisis
Ilustración de las entradas y salidas de la electrólisis del agua para la producción de hidrógeno sin generar gases de efecto invernadero.

La electrólisis del agua utiliza electricidad para separar el agua en hidrógeno y oxígeno. A partir de 2020, menos del 0,1 % de la producción de hidrógeno proviene de la electrólisis del agua. [ 49 ] La electrólisis del agua tiene una eficiencia del 70-80 % (una pérdida de conversión del 20-30 %) [ 50 ] [ 51 ] mientras que el reformado con vapor de gas natural tiene una eficiencia térmica entre el 70 y el 85 %. [ 52 ] Se espera que la eficiencia eléctrica de la electrólisis alcance el 82-86 % [ 53 ] antes de 2030, manteniendo además su durabilidad a medida que el progreso en este campo continúa a buen ritmo. [ 54 ]

La electrólisis del agua puede operar a 50–80 °C (120–180 °F) , mientras que el reformado de metano con vapor requiere temperaturas de 700–1100 °C (1300–2000 °F) . [ 55 ] La diferencia entre ambos métodos radica en la energía primaria utilizada: electricidad (para la electrólisis) o gas natural (para el reformado de metano con vapor). Debido al uso de agua, un recurso fácilmente disponible, la electrólisis y otros métodos similares de disociación del agua han despertado el interés de la comunidad científica. Con el objetivo de reducir el costo de la producción de hidrógeno, se han buscado fuentes de energía renovables para permitir la electrólisis. [ 56 ]    

Existen tres tipos principales de celdas electrolíticas : celdas electrolíticas de óxido sólido (SOEC), celdas de membrana de electrolito polimérico (PEM) y celdas de electrólisis alcalina (AEC). [ 57 ] Tradicionalmente, los electrolizadores alcalinos son más económicos en términos de inversión (generalmente utilizan catalizadores de níquel), pero menos eficientes; los electrolizadores PEM, por el contrario, son más caros (generalmente utilizan costosos catalizadores de metales del grupo del platino ), pero son más eficientes y pueden operar a mayores densidades de corriente , por lo que podrían ser más económicos si la producción de hidrógeno es suficientemente grande. [ 58 ]

Las SOEC operan a altas temperaturas, típicamente alrededor de 800 °C (1500 °F) . A estas altas temperaturas, una cantidad significativa de la energía requerida puede proporcionarse como energía térmica (calor), y por ello se denomina electrólisis de alta temperatura . La energía térmica puede provenir de diversas fuentes, como el calor residual industrial, las centrales nucleares o las plantas termosolares de concentración . Esto tiene el potencial de reducir el costo total del hidrógeno producido al disminuir la cantidad de energía eléctrica necesaria para la electrólisis. [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]  

Las celdas de electrólisis PEM suelen operar por debajo de 100 °C (212 °F) . [ 59 ] Estas celdas tienen la ventaja de ser relativamente simples y pueden diseñarse para aceptar entradas de voltaje muy variables , lo que las hace ideales para su uso con fuentes de energía renovables como paneles solares fotovoltaicos . [ 63 ] Las AEC operan de manera óptima a altas concentraciones de electrolito (KOH o carbonato de potasio ) y a altas temperaturas, a menudo cerca de 200 °C (392 °F) .    

Eficiencia y economía

La eficiencia de los generadores de hidrógeno modernos se mide por la energía consumida por volumen estándar de hidrógeno (MJ/m³ ) , asumiendo temperatura y presión estándar del H₂ . Cuanto menor sea la energía utilizada por un generador, mayor será su eficiencia; un electrolizador con una eficiencia del 100 % consumiría 39,4 kilovatios-hora por kilogramo (142 MJ/kg) de hidrógeno, [ 64 ] 12.749 julios por litro (12,75 MJ/m³ ) . La electrólisis práctica suele utilizar un electrolizador rotatorio, donde la fuerza centrífuga ayuda a separar las burbujas de gas del agua. [ 65 ] Dicho electrolizador a una presión de 15 bar puede consumir 50 kilovatios-hora por kilogramo (180 MJ/kg) , y otros 15 kilovatios-hora (54 MJ) si el hidrógeno se comprime para su uso en coches de hidrógeno. [ 66 ]    

La electrólisis alcalina convencional tiene una eficiencia de aproximadamente el 70%, [ 67 ] sin embargo, existen electrolizadores de agua alcalinos avanzados con una eficiencia de hasta el 82%. [ 68 ] [ 69 ] Se espera que la eficiencia de los PEM industriales aumente a aproximadamente el 86% antes de 2030. [ 70 ]

En 2022, una publicación de Nature describió una celda de electrólisis alimentada por capilar, que alcanzó una eficiencia energética del 98% debido a varias optimizaciones de diseño que minimizaban los sobrepotenciales . [ 71 ]

Costo de producción de H₂ (dólares por galón equivalente de gas natural sin impuestos) a diferentes precios del gas natural.

A partir de 2020, el costo del hidrógeno por electrólisis es de alrededor de $3–8/kg. [ 72 ] Considerando la producción industrial de hidrógeno y utilizando los mejores procesos actuales para la electrólisis del agua (electrólisis PEM o alcalina) que tienen una eficiencia eléctrica efectiva del 70–82%, [ 73 ] [ 74 ] [ 75 ] producir 1  kg de hidrógeno (que tiene una energía específica de 143 MJ/kg o aproximadamente 40 kWh/kg) requiere 50–55 kWh de electricidad. Con un costo de electricidad de $0.06/kWh, como se establece en los objetivos de producción de hidrógeno del Departamento de Energía para 2015, [ 76 ] el costo del hidrógeno es de $3/kg.

El precio objetivo del Departamento de Energía de EE. UU. para el hidrógeno en 2020 fue de $2,30/kg, lo que requiere un costo de electricidad de $0,037/kWh, alcanzable dadas las recientes licitaciones de PPA para energía eólica y solar en muchas regiones. [ 77 ] En 2021, el Departamento de Energía de EE. UU. estableció el Hydrogen Energy Earthshot (Hydrogen Shot) con un objetivo de $1 (USD) por 1  kg de hidrógeno en 1 década, es decir, $1/kg para 2031 (conocido como "1 1 1"). [ 78 ] Este bajo precio se seleccionó para ser competitivo con el precio del hidrógeno del gas natural en los Estados Unidos, que es de aproximadamente $1,50/kg. En comparación, el costo base del hidrógeno de la electrólisis en 2020 fue de aproximadamente $5/kg, lo que requiere una reducción de costos del 80 % para cumplir con el objetivo del Hydrogen Shot. [ 79 ] [ 80 ]

El informe de IRENA.ORG es un extenso informe fáctico sobre la producción industrial actual de hidrógeno que consume entre 53 y 70 kWh por kg, y que podría reducirse a unos 45 kWh/kg H.2. [ 81 ] La energía termodinámica requerida para la producciónde hidrógeno mediante electrólisis es de 33 kWh/kg, superior a la del reformado con vapor y captura de carbono, y también superior a la de la pirólisis de metano. Una de las ventajas de la electrólisis frente a la producción de hidrógeno mediante reformado con vapor de metano (SMR) es que el hidrógeno puede producirse in situ, evitando así el costoso proceso de transporte por camión o gasoducto.

Electrólisis asistida químicamente

Además de reducir el voltaje requerido para la electrólisis mediante el aumento de la temperatura de la celda de electrólisis, también es posible consumir electroquímicamente el oxígeno producido en un electrolizador introduciendo un combustible (como carbono/carbón, [ 82 ] metanol , [ 83 ] [ 84 ] etanol , [ 85 ] ácido fórmico , [ 86 ] glicerol , [ 86 ] etc.) en el lado del oxígeno del reactor. Esto reduce la energía eléctrica requerida y tiene el potencial de reducir el costo del hidrógeno a menos del 40-60% con la energía restante proporcionada de esta manera. [ 87 ]

La electrólisis del agua asistida por carbono/hidrocarburos (CAWE) tiene el potencial de ofrecer un método menos intensivo en energía y más limpio para utilizar la energía química en diversas fuentes de carbono, como carbones de bajo rango y alto contenido de azufre, biomasa, alcoholes y metano (gas natural), donde el CO₂ puro producido puede ser fácilmente secuestrado sin necesidad de separación. [ 88 ]

Hidrógeno procedente de biomasa: una opción ecológica.

La biomasa se convierte en gas de síntesis mediante gasificación y el gas de síntesis se convierte posteriormente en hidrógeno mediante la reacción de desplazamiento del gas de agua (WGSR). [ 89 ]

El hidrógeno como subproducto de otros procesos químicos

La producción industrial de cloro y sosa cáustica mediante electrólisis genera una cantidad considerable de hidrógeno como subproducto. En el puerto de Amberes, una planta de demostración de pila de combustible de 1 MW se alimenta con dicho subproducto. Esta unidad está en funcionamiento desde finales de 2011. [ 90 ] El exceso de hidrógeno se suele gestionar mediante un análisis de estrangulamiento de hidrógeno .

El gas generado en los hornos de coque en la producción de acero es similar al gas de síntesis con un 60 % de hidrógeno en volumen. [ 91 ] El hidrógeno se puede extraer del gas de los hornos de coque de forma económica. [ 92 ]

Cuando se modifica un alto horno existente para utilizar biomasa como combustible, es factible la producción tanto de acero verde como de hidrógeno/urea verde. [ 93 ]

Otros métodos de combustibles fósiles

Oxidación parcial

La producción de hidrógeno a partir de gas natural, hidrocarburos más pesados ​​y materias primas carbonáceas alternativas se logra mediante oxidación parcial. [ 94 ] Una mezcla de combustible-aire o combustible-oxígeno se combustiona parcialmente , lo que da como resultado un gas de síntesis rico en hidrógeno y monóxido de carbono. Luego se obtiene más hidrógeno y dióxido de carbono a partir de monóxido de carbono (y agua) mediante la reacción de desplazamiento del gas de agua. [ 37 ] Se puede coalimentar dióxido de carbono para reducir la relación hidrógeno/monóxido de carbono.

La reacción de oxidación parcial se produce cuando una mezcla subestequiométrica de combustible-aire o combustible-oxígeno se combustiona parcialmente en un reformador o reactor de oxidación parcial. Se distingue entre oxidación parcial térmica (TPOX) y oxidación parcial catalítica (CPOX). La reacción química adopta la siguiente forma general:

2 C norte H m + norte O 2 → 2 norte CO + m H 2

Los ejemplos idealizados para el gasóleo de calefacción y el carbón, suponiendo composiciones C 12 H 24 y C 24 H 12 respectivamente, son los siguientes:

C 12 H 24 + 6 O 2 → 12 CO + 12 H 2
C 24 H 12 + 12 O 2 → 24 CO + 6 H 2

Pirólisis de plasma

El proceso Kværner o proceso de negro de humo e hidrógeno de Kværner (CB&H) [ 95 ] es un método de pirólisis de plasma , desarrollado en la década de 1980 por una empresa noruega del mismo nombre, para la producción de hidrógeno y negro de humo a partir de hidrocarburos líquidos (C n H m ). De la energía disponible de la alimentación, aproximadamente el 48% está contenida en el hidrógeno, el 40% en el carbón activado y el 10% en el vapor sobrecalentado . [ 96 ] En el proceso no se produce CO₂ .

En 2009 se presentó una variante de este proceso que utilizaba tecnología de eliminación de residuos por arco de plasma para la producción de hidrógeno, calor y carbono a partir de metano y gas natural en un convertidor de plasma . [ 97 ]

Carbón

Para la producción de hidrógeno a partir del carbón, se utiliza la gasificación del carbón . El proceso de gasificación del carbón utiliza vapor y oxígeno para romper los enlaces moleculares del carbón y formar una mezcla gaseosa de hidrógeno y monóxido de carbono. [ 56 ] El dióxido de carbono y los contaminantes pueden eliminarse más fácilmente del gas obtenido de la gasificación del carbón que de la combustión del carbón. [ 98 ] [ 99 ] Otro método de conversión es la carbonización del carbón a baja y alta temperatura . [ 100 ]

El gas de coquería , obtenido mediante pirólisis (calentamiento sin oxígeno) del carbón, contiene aproximadamente un 60 % de hidrógeno; el resto se compone de metano, monóxido de carbono, dióxido de carbono, amoníaco, nitrógeno molecular y sulfuro de hidrógeno (H₂S ) . El hidrógeno puede separarse de otras impurezas mediante el proceso de adsorción por cambio de presión . Las empresas siderúrgicas japonesas han llevado a cabo la producción de hidrógeno mediante este método.

coque de petróleo

El coque de petróleo también puede convertirse en gas de síntesis rico en hidrógeno mediante la gasificación del carbón. El gas de síntesis producido se compone principalmente de hidrógeno, monóxido de carbono y H₂S provenientes del azufre presente en la alimentación de coque. La gasificación es una opción para producir hidrógeno a partir de casi cualquier fuente de carbono. [ 101 ]

Radiólisis

La radiación nuclear puede romper los enlaces del agua mediante radiólisis . [ 102 ] [ 103 ] En la mina de oro de Mponeng , Sudáfrica , los investigadores encontraron bacterias en una zona de alta radiación de origen natural. La comunidad bacteriana, dominada por un nuevo filotipo de Desulfotomaculum , se alimentaba principalmente de hidrógeno producido radiolíticamente . [ 104 ]

Termólisis

El agua se disocia espontáneamente a unos 2500  °C, pero esta termólisis se produce a temperaturas demasiado elevadas para las tuberías y equipos de proceso habituales, lo que resulta en un potencial de comercialización bastante bajo. [ 105 ]

Pirólisis de biomasa

La pirólisis se puede clasificar en diferentes tipos según la temperatura de pirólisis: pirólisis lenta a baja temperatura, pirólisis rápida a temperatura media y pirólisis instantánea a alta temperatura. [ 106 ] La fuente de energía principal es la energía solar, con la ayuda de microorganismos fotosintéticos que descomponen el agua o la biomasa para producir hidrógeno. Sin embargo, este proceso tiene rendimientos de hidrógeno relativamente bajos y un alto costo operativo. No es un método viable para la industria.

Termólisis asistida por energía nuclear

El reactor de gas de alta temperatura (HTGR) es una de las técnicas nucleares libres de CO₂ más prometedoras para producir hidrógeno mediante la división del agua a gran escala. En este método, el ciclo termoquímico de yodo-azufre (IS) para la división del agua y la electrólisis de vapor de alta temperatura (HTSE) se seleccionaron como los procesos principales para la producción nuclear de hidrógeno. El ciclo SI sigue tres reacciones químicas: [ 107 ]

Reacción de Bunsen : I₂ + SO₂ + 2H₂O → H₂SO₄ + 2H₂O

Descomposición del HI: 2HI→ H₂ + I₂

Descomposición del ácido sulfúrico : H₂SO₄ → SO₂ + 1/2 O₂ + H₂O

La tasa de producción de hidrógeno del HTGR con ciclo IS es de aproximadamente 0,68  kg/s, y el coste de capital para construir una unidad de la central eléctrica es de 100 millones de dólares.

Ciclo termoquímico

Los ciclos termoquímicos combinan únicamente fuentes de calor ( termo ) con reacciones químicas para separar el agua en sus componentes de hidrógeno y oxígeno . [ 108 ] El término ciclo se utiliza porque, además del agua, el hidrógeno y el oxígeno, los compuestos químicos empleados en estos procesos se reciclan continuamente. Si se utiliza electricidad como insumo parcial, el ciclo termoquímico resultante se define como un ciclo híbrido .

El ciclo azufre-yodo (ciclo SI) es un proceso termoquímico que genera hidrógeno a partir de agua con una eficiencia de aproximadamente el 50 %. El azufre y el yodo utilizados en el proceso se recuperan y reutilizan, y no se consumen. El ciclo puede realizarse con cualquier fuente de temperaturas muy altas, aproximadamente 950  °C, como los sistemas de energía solar de concentración (CSP), y se considera muy adecuado para la producción de hidrógeno mediante reactores nucleares de alta temperatura [ 109 ] , y como tal, se está estudiando en el reactor de prueba de ingeniería de alta temperatura en Japón [ 110 ] [ 111 ] [ 112 ] [ 113 ] . Existen otros ciclos híbridos que utilizan tanto altas temperaturas como electricidad, como el ciclo cobre-cloro , clasificado como un ciclo termoquímico híbrido porque utiliza una reacción electroquímica en una de las etapas de reacción, opera a 530  °C y tiene una eficiencia del 43 % [ 114 ] .

Método del ferrosilicio

El ferrosilicio es utilizado por el ejército para producir hidrógeno rápidamente para globos . La reacción química utiliza hidróxido de sodio , ferrosilicio y agua. El generador es lo suficientemente pequeño como para caber en un camión y requiere solo una pequeña cantidad de energía eléctrica, los materiales son estables y no combustibles, y no generan hidrógeno hasta que se mezclan. [ 115 ] El método se ha utilizado desde la Primera Guerra Mundial . Un recipiente a presión de acero pesado se llena con hidróxido de sodio y ferrosilicio, se cierra y se agrega una cantidad controlada de agua; la disolución del hidróxido calienta la mezcla a unos 93  °C y comienza la reacción; se producen silicato de sodio , hidrógeno y vapor. [ 116 ] El proceso se llama proceso de silicol y la reacción general del proceso es: [ nota 1 ]

2NaOH + Si + H 2 O → Na 2 SiO 3 + 2H 2

El método de producción es económico para producir hidrógeno de calidad para pilas de combustible, ya que se puede utilizar ferrosilicio de baja calidad para obtener silicato de sodio de alta calidad, que tiene un buen precio. [ 117 ]

División fotobiológica del agua

Un biorreactor de algas para la producción de hidrógeno.

El hidrógeno biológico puede producirse en un biorreactor de algas . [ 118 ] A finales de la década de 1990 se descubrió que si las algas se ven privadas de azufre , cambian de la producción de oxígeno , es decir, la fotosíntesis normal , a la producción de hidrógeno. Parece que la producción ahora es económicamente viable al superar la barrera de eficiencia energética del 7-10 por ciento (la conversión de la luz solar en hidrógeno). [ 119 ] con una tasa de producción de hidrógeno de 10-12 ml por litro de cultivo por hora. [ 120 ]

Descomposición fotocatalítica del agua

La conversión de energía solar en hidrógeno mediante el proceso de disociación del agua es una de las formas más interesantes de lograr sistemas de energía limpios y renovables . Sin embargo, si este proceso se ve asistido por fotocatalizadores suspendidos directamente en el agua en lugar de utilizar un sistema fotovoltaico y electrolítico, la reacción se realiza en un solo paso, lo que puede aumentar su eficiencia. [ 121 ] [ 122 ] [ 123 ] No obstante, los sistemas actuales presentan un bajo rendimiento para su implementación comercial. [ 124 ] [ 125 ]

Rutas del biohidrógeno

En principio, la biomasa y los residuos pueden convertirse en biohidrógeno mediante gasificación de biomasa , reformado con vapor o conversión biológica como la electrólisis biocatalizada [ 87 ] o la producción fermentativa de hidrógeno. [ 126 ]

Entre los métodos de producción de hidrógeno, las rutas biológicas son potencialmente menos intensivas en energía. Además, una amplia variedad de residuos y materiales de bajo valor, como la biomasa agrícola, como fuentes renovables, pueden utilizarse para producir hidrógeno mediante vías bioquímicas o termoquímicas. [ 89 ] Sin embargo, en la actualidad el hidrógeno se produce principalmente a partir de combustibles fósiles, en particular, gas natural, que son fuentes no renovables. El hidrógeno no solo es el combustible más limpio, sino que también se utiliza ampliamente en diversas industrias, especialmente en las de fertilizantes, petroquímica y alimentaria. [ 127 ]

Las rutas bioquímicas para la producción de hidrógeno se clasifican en procesos de fermentación oscura y fotofermentación. En la fermentación oscura , los carbohidratos se convierten en hidrógeno mediante microorganismos fermentativos, incluyendo bacterias anaerobias estrictas y facultativas. Se puede producir un máximo teórico de 4  mol de H₂ / mol de glucosa. Los azúcares se convierten en ácidos grasos volátiles (AGV) y alcoholes como subproductos durante este proceso. Las bacterias fotofermentativas son capaces de generar hidrógeno a partir de AGV. Por lo tanto, los metabolitos formados en la fermentación oscura pueden utilizarse como materia prima en la fotofermentación para aumentar el rendimiento total de hidrógeno. [ 127 ]

Un proceso catalizado por enzimas convierte el azúcar común xilosa en hidrógeno con un rendimiento cercano al 100% del rendimiento teórico . El proceso emplea 13 enzimas, incluyendo una novedosa polifosfato xiluloquinasa (XK). [ 128 ]

Producción de hidrógeno por fermentación

La producción fermentativa de hidrógeno convierte sustratos orgánicos en hidrógeno. Un grupo diverso de bacterias promueve esta transformación. La fotofermentación se diferencia de la fermentación oscura porque solo se produce en presencia de luz . Por ejemplo, la fotofermentación con Rhodobacter sphaeroides SH2C puede emplearse para convertir algunos ácidos grasos en hidrógeno. [ 129 ]

La producción fermentativa de hidrógeno puede realizarse mediante biofotólisis directa con algas verdes, biofotólisis indirecta con cianobacterias, fotofermentación con bacterias fotosintéticas anaeróbicas y fermentación oscura con bacterias fermentativas anaeróbicas. Por ejemplo, en la literatura se reportan estudios sobre la producción de hidrógeno utilizando H. salinarium , una bacteria fotosintética anaeróbica, acoplada a un donante de hidrogenasa como E. coli . [ 130 ] Enterobacter aerogenes es otro productor de hidrógeno. [ 131 ]

Generación enzimática de hidrógeno

Se han diseñado diversas vías enzimáticas para generar hidrógeno a partir de azúcares. [ 132 ]

Electrólisis biocatalizada

Una celda de electrólisis microbiana

Además de la fermentación oscura, la electrohidrogénesis (electrólisis con microorganismos) es otra posibilidad. Mediante pilas de combustible microbianas , se pueden utilizar aguas residuales o plantas para generar energía. La electrólisis biocatalizada no debe confundirse con la producción biológica de hidrógeno , ya que esta última solo utiliza algas y, en este caso, las algas generan el hidrógeno instantáneamente, mientras que en la electrólisis biocatalizada, esto ocurre después de pasar por la pila de combustible microbiana y se puede utilizar una variedad de plantas acuáticas [ 133 ] [ 134 ] . Estas incluyen juncos , esparto, arroz, tomates, lupinos y algas. [ 135 ]

Polvo nanogalvánico a base de aluminio desarrollado por el Laboratorio de Investigación del Ejército de los Estados Unidos.

Polvo de aleación de aluminio nanogalvánico

El polvo de aleación de aluminio reacciona con el agua para producir gas hidrógeno al entrar en contacto con ella. Según se informa, genera hidrógeno al 100 por ciento del rendimiento teórico. [ 136 ] [ 137 ] El proceso no es económico.

hidrógeno natural

Sistema de rifts del centro del continente

El hidrógeno también está presente de forma natural bajo tierra. Este hidrógeno natural , también llamado hidrógeno blanco o hidrógeno dorado, puede extraerse de pozos de manera similar a como se extraen los combustibles fósiles como el petróleo y el gas natural. [ 138 ] [ 139 ] [ 12 ]

El hidrógeno blanco podría encontrarse o producirse a gran escala en el Sistema de Rift Mediocontinental para una economía de hidrógeno renovable . Se podría bombear agua hasta rocas calientes ricas en hierro para extraer el hidrógeno. [ 140 ]

Métodos de producción experimentales

Pirólisis del metano – turquesa

Ilustrando las entradas y salidas de la pirólisis del metano, un proceso para producir hidrógeno.

La pirólisis del metano (gas natural) con un proceso de un solo paso [ 141 ] burbujeando metano a través de un catalizador de metal fundido es un enfoque "sin gases de efecto invernadero" para producir hidrógeno que se demostró en condiciones de laboratorio en 2017 y ahora se está probando a mayor escala. [ 142 ] [ 143 ] El proceso se lleva a cabo a altas temperaturas (1065  °C). [ 144 ] [ 145 ] [ 146 ] [ 147 ] Producir 1  kg de hidrógeno requiere aproximadamente 18 kWh de electricidad para el calor del proceso. [ 148 ] La pirólisis del metano se puede expresar mediante la siguiente ecuación de reacción. [ 149 ]

CH4 (g) → C(s) + 2H2 (g) ΔH° = 74,8 kJ/mol

El carbón sólido de calidad industrial puede venderse como materia prima para la fabricación, incorporarse al pavimento asfáltico o depositarse en vertederos.

En 2023, varias empresas se encontraban en las primeras etapas de desarrollo de las tecnologías de pirólisis de metano. Estas tecnologías aún debían superar obstáculos antes de su comercialización. [ 150 ]

Producción biológica

La producción fermentativa de hidrógeno es la conversión fermentativa de sustrato orgánico en biohidrógeno , llevada a cabo por diversos grupos de bacterias mediante sistemas multienzimáticos que implican tres pasos similares a la conversión anaeróbica . Las reacciones de fermentación oscura no requieren energía lumínica, por lo que son capaces de producir hidrógeno de forma continua a partir de compuestos orgánicos durante todo el día y la noche. La fotofermentación se diferencia de la fermentación oscura porque solo se produce en presencia de luz . La electrohidrogénesis se utiliza en pilas de combustible microbianas para producir hidrógeno a partir de materia orgánica. [ 151 ]

El hidrógeno biológico puede producirse en un biorreactor de algas . A finales de la década de 1990 se descubrió que si las algas se ven privadas de azufre , cambian de la producción de oxígeno , es decir, la fotosíntesis normal , a la producción de hidrógeno. [ 152 ] El hidrógeno biológico también puede producirse utilizando materias primas distintas a las algas, siendo los residuos los más comunes. El proceso implica que las bacterias se alimenten de hidrocarburos y excreten hidrógeno y CO₂ . [ 153 ]

Electrólisis biocatalizada

Además de la electrólisis convencional, la electrólisis con microorganismos es otra posibilidad. Con la electrólisis biocatalizada, se genera hidrógeno tras pasar por la pila de combustible microbiana y se puede utilizar una variedad de plantas acuáticas (Archivado el 17/05/2010 en Wayback Machine ). Estas incluyen juncos , esparto, arroz, tomates, lupinos y algas [ 154 ].

Electrólisis a alta presión

La electrólisis de alta presión es la electrólisis del agua mediante la descomposición del agua (H₂O ) en oxígeno (O₂ ) e hidrógeno gaseoso (H₂ ) a través de una corriente eléctrica que pasa a través del agua. La diferencia con un electrolizador estándar es la salida de hidrógeno comprimido de alrededor de 120–200 bar (1740–2900 psi , 12–20 MPa ). [ 155 ] Al presurizar el hidrógeno en el electrolizador, a través de un proceso conocido como compresión química, se elimina la necesidad de un compresor de hidrógeno externo, [ 156 ] el consumo energético promedio para la compresión interna es de alrededor del 3%. [ 157 ] La ​​planta de producción de hidrógeno más grande de Europa (1 400 000  kg/año, electrólisis de agua a alta presión, tecnología alcalina) opera en Kokkola, Finlandia. [ 158 ]

Electrólisis a alta temperatura

El hidrógeno se puede generar a partir de energía suministrada en forma de calor y electricidad mediante electrólisis a alta temperatura (HTE). Dado que parte de la energía en HTE se suministra en forma de calor, se requiere menos energía para convertirla dos veces de calor a electricidad y luego a hidrógeno. Por lo tanto, potencialmente se necesita menos energía para producir hidrógeno. El calor nuclear podría utilizarse para separar el hidrógeno del agua.  Los reactores nucleares refrigerados por gas a alta temperatura (950–1000 °C) tienen el potencial de separar el hidrógeno del agua por medios termoquímicos utilizando calor nuclear. La electrólisis a alta temperatura se ha demostrado en un laboratorio, con 108 MJ (térmicos) por kilogramo de hidrógeno producido, [ 159 ] pero no a escala comercial. Además, se trata de hidrógeno de grado comercial de menor calidad, inadecuado para su uso en pilas de combustible. [ 160 ] 

División fotoelectroquímica del agua

El uso de electricidad producida por sistemas fotovoltaicos ofrece la forma más limpia de producir hidrógeno. El agua se descompone en hidrógeno y oxígeno mediante electrólisis, un proceso de celda fotoelectroquímica (PEC) que también se denomina fotosíntesis artificial . [ 161 ] William Ayers, de Energy Conversion Devices, demostró y patentó el primer sistema fotoelectroquímico de alta eficiencia de múltiples uniones para la división directa del agua en 1983. [ 162 ] Este grupo demostró la división directa del agua, ahora conocida como "hoja artificial" o "división solar inalámbrica del agua", con una lámina de silicio amorfo de película delgada de bajo costo y múltiples uniones sumergida directamente en agua. [ 163 ] [ 164 ]

El hidrógeno se desprendió de la superficie frontal de silicio amorfo decorada con diversos catalizadores, mientras que el oxígeno se desprendió del sustrato metálico posterior. Una membrana de Nafion sobre la celda multijunción proporcionó una vía para el transporte de iones. Su patente también enumera una variedad de otros materiales semiconductores multijunción para la división directa del agua, además del silicio amorfo y las aleaciones de silicio-germanio. La investigación continúa para desarrollar tecnología de celdas multijunción de alta eficiencia en universidades y la industria fotovoltaica. Si este proceso se asiste mediante fotocatalizadores suspendidos directamente en el agua en lugar de utilizar un sistema fotovoltaico y un sistema electrolítico, la reacción se realiza en un solo paso, lo que puede mejorar la eficiencia. [ 163 ] [ 164 ]

producción fotoelectrocatalítica

Un método estudiado por Thomas Nann y su equipo en la Universidad de East Anglia consiste en un electrodo de oro recubierto con capas de nanopartículas de fosfuro de indio (InP). Introdujeron un complejo de hierro-azufre en la estructura laminar, que, al sumergirse en agua e irradiarse con luz bajo una pequeña corriente eléctrica, produjo hidrógeno con una eficiencia del 60 %. [ 165 ]

En 2015, se informó que Panasonic Corp. había desarrollado un fotocatalizador basado en nitruro de niobio que puede absorber el 57% de la luz solar para favorecer la descomposición del agua y producir hidrógeno gaseoso. [ 166 ] La empresa planea lograr la aplicación comercial "lo antes posible", no antes de 2020.

Energía solar térmica de concentración

Se requieren temperaturas muy elevadas para disociar el agua en hidrógeno y oxígeno. Se necesita un catalizador para que el proceso opere a temperaturas viables. El calentamiento del agua se puede lograr mediante el uso de energía solar de concentración de agua . Hydrosol-2 es una planta piloto de 100 kilovatios en la Plataforma Solar de Almería, España , que utiliza la luz solar para obtener la temperatura necesaria de 800 a 1200  °C para calentar el agua. Hydrosol II está en funcionamiento desde 2008. El diseño de esta planta piloto de 100 kilovatios se basa en un concepto modular. Como resultado, es posible que esta tecnología pueda ampliarse fácilmente al rango de megavatios multiplicando las unidades de reactor disponibles y conectando la planta a campos de heliostatos (campos de espejos de seguimiento solar) de tamaño adecuado. [ 167 ]

Producción termoquímica

Hay más de 352 [ 168 ] ciclos termoquímicos que pueden usarse para la división del agua , [ 169 ] alrededor de una docena de estos ciclos tales como el ciclo del óxido de hierro , el ciclo del óxido de cerio(IV)-óxido de cerio(III) , el ciclo del zinc-óxido de zinc , el ciclo del azufre-yodo , el ciclo del cobre-cloro y el ciclo híbrido del azufre , el ciclo del aluminio-óxido de aluminio , están en investigación y en fase de prueba para producir hidrógeno y oxígeno a partir de agua y calor sin usar electricidad. [ 170 ] Estos procesos pueden ser más eficientes que la electrólisis de alta temperatura, típica en el rango de 35% – 49% de eficiencia LHV . La producción termoquímica de hidrógeno usando energía química del carbón o gas natural generalmente no se considera, porque la ruta química directa es más eficiente.

Ninguno de los procesos termoquímicos de producción de hidrógeno se ha demostrado a nivel de producción, aunque varios se han demostrado en laboratorios.

Proceso Kværner

El proceso Kværner o proceso de negro de humo e hidrógeno de Kværner (CB&H) [ 171 ] es un método, desarrollado en la década de 1980 por una empresa noruega del mismo nombre , para la producción de hidrógeno a partir de hidrocarburos (C n H m ), como metano , gas natural y biogás . De la energía disponible de la materia prima, aproximadamente el 48% está contenida en el hidrógeno, el 40% en el carbón activado y el 10% en vapor sobrecalentado. [ 96 ]

Extracción de hidrógeno de origen natural

A partir de 2019El hidrógeno se utiliza principalmente como materia prima industrial, sobre todo para la producción de amoníaco y metanol , y en el refinado de petróleo. Aunque inicialmente se pensaba que el hidrógeno gaseoso no se encontraba de forma natural en yacimientos adecuados, ahora se ha demostrado que no es así; actualmente se está explotando un sistema de hidrógeno cerca de Bourakebougou, en la región de Koulikoro , en Malí, que produce electricidad para las aldeas circundantes. [ 172 ] En los últimos años se han realizado más descubrimientos de hidrógeno natural en entornos geológicos continentales terrestres [ 173 ] y abren el camino al novedoso campo del hidrógeno natural o nativo (también conocido como hidrógeno blanco [ 174 ] y otros nombres) que apoya los esfuerzos de transición energética . [ 175 ] [ 176 ]

Sistema de rifts del centro del continente

El hidrógeno blanco podría encontrarse o producirse a gran escala en el Sistema de Rift del Medio Continente en América del Norte para una economía de hidrógeno renovable. Se podría bombear agua hasta rocas calientes ricas en hierro para producir hidrógeno, el cual podría extraerse. [ 177 ]

Impacto ambiental

La mayor parte del hidrógeno se produce a partir de combustibles fósiles , lo que genera emisiones de dióxido de carbono . [ 178 ] El hidrógeno producido mediante esta tecnología se ha descrito como hidrógeno gris cuando las emisiones se liberan a la atmósfera, e hidrógeno azul cuando las emisiones se capturan mediante la captura y almacenamiento de carbono (CCS). [ 179 ] [ 180 ] Se ha estimado que el hidrógeno azul tiene una huella de gases de efecto invernadero un 20 % mayor que la quema de gas o carbón para calefacción y un 60 % mayor en comparación con la quema de diésel para calefacción, asumiendo tasas de fuga de metano ascendentes y medias en EE. UU. y producción a través de reformadores de metano con vapor (SMR) adaptados con captura de dióxido de carbono. [ 181 ] La intensidad de las emisiones del hidrógeno azul es muy sensible a las fugas de metano ascendentes, y las tasas de fuga deben ser inferiores al 0,3-3,2 % (dependiendo de las suposiciones) para que el hidrógeno azul ofrezca beneficios climáticos en relación con la quema directa de gas natural. [ 182 ]

El uso de reformadores autotérmicos (ATR) con captura integrada de dióxido de carbono permite mayores tasas de captura con eficiencias energéticas satisfactorias y las evaluaciones del ciclo de vida han demostrado menores emisiones de gases de efecto invernadero para dichas plantas en comparación con los SMR con captura de dióxido de carbono. [ 183 ] Se ha evaluado que la aplicación de la tecnología ATR con captura integrada de dióxido de carbono en Europa tiene una menor huella de gases de efecto invernadero que la quema de gas natural, por ejemplo, para el proyecto H21 con una reducción reportada del 68% debido a una menor intensidad de dióxido de carbono del gas natural combinada con un tipo de reactor más adecuado para la captura de dióxido de carbono. [ 184 ]

El hidrógeno producido a partir de fuentes de energía renovables se suele denominar hidrógeno verde . Se afirma que existen dos métodos prácticos para producir hidrógeno a partir de fuentes de energía renovables. Uno consiste en utilizar energía eléctrica para producir hidrógeno mediante la electrólisis del agua , y el otro en utilizar gas de vertedero para producir hidrógeno en un reformador de vapor. El hidrógeno, cuando se produce a partir de fuentes de energía renovables como la eólica o la solar, es un combustible renovable . [ 185 ] [ 186 ] El hidrógeno producido a partir de energía nuclear mediante electrólisis a veces se considera un subconjunto del hidrógeno verde , pero también se le puede denominar hidrógeno rosa . La central nuclear de Oskarshamn firmó un acuerdo en enero de 2022 para suministrar hidrógeno rosa comercial en cantidades del orden de kilogramos por día. [ 187 ]

A partir de 2020Los costos estimados de producción son de $1–1,80/kg para el hidrógeno gris y el hidrógeno azul, [ 188 ] y de $2,50–6,80 para el hidrógeno verde. [ 188 ]

A partir de 2022, se producen a nivel mundial 94 millones de toneladas de hidrógeno gris utilizando combustibles fósiles, principalmente gas natural, y por lo tanto constituyen una fuente importante de emisiones de gases de efecto invernadero. [ 189 ] [ 190 ] [ 191 ] [ 192 ]

Usos del hidrógeno

El hidrógeno se utiliza para la conversión de fracciones pesadas de petróleo en fracciones más ligeras mediante hidrocraqueo . También se emplea en otros procesos, como la aromatización , la hidrodesulfuración y la producción de amoníaco mediante el proceso Haber , el principal método industrial para la producción de fertilizantes nitrogenados sintéticos, necesarios para el cultivo del 47 % de los alimentos a nivel mundial. [ 193 ]

El hidrógeno puede utilizarse en pilas de combustible para la generación local de electricidad o, potencialmente, como combustible para el transporte.

El hidrógeno se produce como subproducto de la producción industrial de cloro mediante electrólisis. Si bien requiere tecnologías costosas, el hidrógeno puede enfriarse, comprimirse y purificarse para su uso en otros procesos en la planta o venderse a un cliente a través de gasoductos, cilindros o camiones cisterna. El descubrimiento y desarrollo de métodos menos costosos para la producción de hidrógeno a granel es fundamental para el establecimiento de una economía del hidrógeno . [ 126 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ El hierro se omite intencionadamente

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Fuentes

Lecturas adicionales

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