Producción de hidrógeno

El hidrógeno no es una fuente de energía primaria, sino que debe obtenerse y eventualmente distribuirse como un producto manufacturado.

En estado elemental es generado de forma natural, en condiciones anaeróbicas por medio de bacterias o algas, pero la producción biológica es muy baja. Para ser utilizado en procesos técnicos se lo produce habitualmente a partir del reformado de combustibles fósiles o de la disociación electrolítica del agua. Actualmente, las principales fuentes para su producción son los combustibles fósiles como el gas natural o el crudo pesado. La electrólisis, la gasificación de biomasa y la disociación térmica del agua son otras opciones para conseguir hidrógeno renovable.

Producción desde fuentes renovables:

El hidrógeno se puede producir sin emitir CO2 al ambiente, mediante un sistema de energía

renovable. Un ejemplo se muestra en la Figura 4.3, en donde a partir de un panel solar, una turbina de viento o un generador hidráulico, se genera energía eléctrica, la cual alimenta a un electrolizador. El electrolizador separa el hidrógeno y el oxígeno del agua, luego el hidrógeno se almacena para ser

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utilizado en una celda de combustible y el oxígeno se entrega a la atmósfera, de este modo cuando hay sol, viento o circulación de agua, el electrolizador produce hidrógeno para almacenar.

El sistema que produce hidrógeno a partir de energías renovables es un sistema cerrado que contiene una celda de combustible. El agua es convertida en gases por el electrolizador y los gases se convierten nuevamente en agua [4].

Figura 4.3. Producción de hidrógeno a partir de energías renovables.

Producción desde fuentes no renovables:

Hoy en día se presenta como el principal origen de la producción de hidrógeno en todo el mundo. Las mayores fuentes para su obtención son el gas natural, seguido por el petróleo, y en menor medida la gasificación del carbón.

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Pero el proceso más eficiente es la obtención a partir de gas natural, ya que la mayor relación atómica H/C en el metano con respecto a otros combustibles, hacen del gas natural la materia prima no renovable por excelencia para su obtención.

La metodología más extendida para de producción de hidrógeno es el reformado con vapor de agua, según la reacción:

(4.1)

Esta reacción es endotérmica y está favorecida por la baja presión. El gas natural reacciona con el vapor de agua en catalizadores de níquel, en un reformador primario a temperaturas próximas a los 1.200 K y una presión total de 20 a 30 bar.

Aunque la estequiometria de la reacción solamente requiere de un mol de agua por mol de metano, se incorpora agua en exceso para reducir la formación de carbón. La conversión de metano a la salida del reformador está en el orden del 90-92% y la composición de la mezcla se acerca a la que predice el equilibrio termodinámico.

A la salida del reformador primario se coloca un segundo reformador autotérmico en donde el 8-10% de metano no convertido, reacciona con oxígeno en la parte superior del tubo. El CO que está presente en la corriente de salida reacciona con el exceso de agua y produce H2 adicional en

una nueva reacción química denominada reacción de desplazamiento del agua (WSR), para esto se necesitan nuevas etapas de reformado. La reacción del CO y el agua es la siguiente:

(4.2)

Se trata de una reacción exotérmica. En Figura 4.4 se representa el proceso completo presentado en forma esquemática.

4 2 2

CH +H O→CO 3H+ +206 kJ / mol

2 2 2

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Figura 4.4. Proceso de reformado de gas natural para producir hidrógeno.

Luego se debe reducir la cantidad de CO2, para limitar a un máximo las emisiones de dicho

gas a la atmósfera, para este fin, un método muy utilizado es hacerlo reaccionar con una disolución de carbonato potásico en presencia de agua obteniéndose carbonato ácido de potasio. La reacción se expresa como:

(4.3)

El esquema del proceso completo se representa en la Figura 4.5. El hidrógeno se purifica luego en unidades PSA (Pressure Swing Adsorption), en las que se alcanza una pureza típica de 99,99 vol%.

El reformado de metano por medio de vapor de agua es el método más utilizado para obtener hidrógeno, existen diversas variantes del procedimiento, una de ellas es generar metanol en lugar de hidrógeno directamente, con una serie de ventajas que lo hacen atractivo para la obtención de hidrógeno, como ser:

• Elevada relación H/C (alta densidad energética)

• Químicamente estable y puro

• No posee enlaces covalentes C-C

• Fuerte enlace CO

2 3 2 2 3

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• Amplia disponibilidad

• Fácilmente biodegradable

• Puede ser convertido a H2 en las estaciones de servicio (con captura de CO2)

• Presenta buenas propiedades como elemento “contenedor” de energía. Mucho más fácil y estable de transportar y almacenar que el hidrógeno y fácilmente convertible en este gas bajo demanda [1].

Figura 4.5. Esquema completo del reformado de gas natural para la producción de H2

Producción mediante electrólisis:

El electrolizador utiliza electricidad para separar el agua en hidrógeno y oxígeno, desarrolla por lo tanto el proceso inverso de una celda de combustible.

Toda la teoría básica y las reacciones que se producen en los electrodos es la misma que en las celdas, con la diferencia del camino por el cual se realizan. Al igual que en las celdas existen distintos tipos de electrolitos, sin embargo en la práctica los únicos que se utilizan son los líquidos alcalinos y las membranas intercambiadoras de protones. En las primeras celdas se utilizaba como electrolito el hidróxido de potasio, en la actualidad se utilizan las membranas intercambiadoras de protones. El diseño básico de un electrolizador de membrana se muestra en la Figura 4.6.

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Figura 4.6. Diagrama básico de un electrolizador de membrana PEM.

En el cátodo se produce hidrógeno con los electrones que abastece la fuente externa y los protones que se extraen del electrolito, según la reacción:

(4.4)

En el ánodo, el agua se oxida y se produce oxígeno según la reacción:

(4.5)

El hidrógeno producido tendrá una pureza muy alta, además se puede regular se elaboración de acuerdo a la demanda y no necesita ser almacenado, por lo tanto es más seguro. Este procedimiento resulta más sencillo y seguro para el abastecimiento de electricidad en lugar de realizarlo desde un cilindro con gas a alta presión.

El cálculo de la eficiencia del electrolizador es similar al utilizado para las celdas de combustible.

2

4H+₊4e−_→2H

2 2

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Generalmente los electrolizadores funcionan con un voltaje por elemento que oscila entre 1,6 V y 2 V, con una eficiencia en los electrolizadores comerciales de alrededor del 60 a 70 %, cuando se incluye la energía necesaria para comprimir el gas producido [5].